Учёные разработали трёхмерную голографическую систему хранения данных на основе света

Исследователи создали новый метод голографического хранения данных, который записывает и считывает информацию в трёх измерениях, комбинируя три ключевых свойства света: амплитуду, фазу и поляризацию. Этот подход позволяет хранить значительно больше данных в том же объёме, предлагая потенциальное решение для растущего мирового спроса на хранение информации.

В отличие от традиционных систем, записывающих данные на плоские поверхности, голографическое хранение внедряет информацию по всему объёму материала с помощью лазерного света. Это создаёт множество перекрывающихся световых паттернов в одном пространстве, что значительно увеличивает ёмкость и скорость передачи данных.

«В обычном голографическом хранении кодирование данных обычно использует одно измерение света, например, только амплитуду или фазу, или, в лучшем случае, комбинацию двух из них. Основываясь на принципе поляризационной голографии, мы использовали архитектуру глубокого обучения, известную как модель свёрточной нейронной сети, чтобы сделать поляризацию независимым измерением для информации», — пояснил руководитель исследовательской группы Сяоди Тань из Фуцзяньского педагогического университета в Китае.

Исследование, опубликованное в журнале Optica, показывает, что новая техника не только увеличивает объём хранимой информации, но и упрощает её извлечение.

«При дальнейшей разработке и коммерциализации этот тип многомерного голографического хранения данных может позволить создавать более компактные дата-центры и эффективные архивы для крупномасштабного хранения, одновременно повышая эффективность обработки и передачи данных. Это также может способствовать более безопасной передаче данных, оптическому шифрованию и продвинутой визуализации», — добавил Тань.

Для кодирования информации учёные разработали 3D-стратегию модуляции, позволяющую одному фазовому пространственному модулятору света кодировать амплитуду, фазу и поляризацию одновременно. Считывание такого комбинированного сигнала — сложная задача, так как стандартные датчики измеряют только интенсивность света. Для её решения исследователи использовали теорию тензорной поляризационной голографии вместе со свёрточной нейронной сетью, которая обучается восстанавливать все три типа данных по дифракционным изображениям.

В ходе испытаний была создана компактная система, способная записывать и восстанавливать закодированное световое поле в поляризационно-чувствительном материале. Нейросеть успешно реконструировала данные, используя только измерения интенсивности, что упрощает считывание.

«В целом наши результаты показали, что многомерное совместное кодирование существенно увеличило объём информации, переносимой одной голографической страницей данных, тем самым повысив плотность хранения. Кроме того, синхронное декодирование нейронной сетью снизило потребность в сложных измерениях и пошаговой реконструкции, обеспечив более эффективное считывание и декодирование», — отметил Сяоди Тань.

Система пока находится на стадии исследований. Дальнейшая работа будет сосредоточена на увеличении уровней градаций при кодировании для дальнейшего расширения ёмкости, а также на улучшении долговременной стабильности, однородности и воспроизводимости записывающих материалов. Учёные также планируют интегрировать этот метод с техниками объёмного голографического мультиплексирования, что позволит хранить несколько страниц и каналов данных одновременно.