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一勺蛋白質可以變成超越云存儲嗎?

2019-05-13 來源:國外網站推薦 - 由[國外網站大全]整理 11

我們怎樣存儲信息?

寫下來的紙張會被焚毀,電腦可能會被黑,DVD可能會無法讀取。威脅無處不在,從簡單的一盆水到復雜的網絡攻擊,都有可能讓我們的記錄化為烏有。

信息爆炸,數據井噴,可能未來連云存儲也無法承載,而且它無法阻擋住所有黑客,還會持續消耗能量。據估計,到2020年,全球數字化檔案估計將達到44萬億Gb,數字化海嘯馬上就要席卷而來,浪潮之下,我們應該如何面對海量信息?

一勺蛋白質可以變成超越云存儲嗎?

現在,有一種存儲信息的新方法可以穩定地存儲數百萬年的數據,并且不受到黑客的威脅。

它的占用空間非常小,想象一下用一勺蛋白質就可以保存整個紐約市公共圖書館的資料,一鍋蛋白質就可以容納所有地球往事。并且一旦編寫,就會再消耗能量。所需要的只有一個化學家,一些易得的分子和需要存儲的信息。

這是哈佛大學與西北大學合作開發的一個項目,研究結果已經在國際學術期刊ACS Central Science發表。該項目提出并實現了利用易獲得、低能耗、穩定且能超長時間保存的寡肽分子存儲數據(以二進制形式),數據檢索準確率超過99%。

從生物學到有機化學:數據存儲的靈感

利用生物存儲能力來存儲數據的想法早已有之,并且已經有了一定的進展。比如,目前我們已經可以通過合成DNA鏈來記錄信息,記錄的信息可以從美食照片,烹飪教程一直到擼貓視頻。

但是雖然DNA與計算機芯片相比較小,但還是屬于大分子。并且,DNA的合成需要大量重復的勞動。如果每條消息都需要從頭開始設計編譯,那么大分子存儲可能會因為過于昂貴耗時而無法實現。

Brian Cafferty,該研發團隊的成員之一,也是論文的第一作者介紹說,于是他們的研究團隊從生物學轉向有機和分析化學尋求靈感,開發使用一種更小、更低分子量的分子來編碼信息的方法。

這種存儲方式只需一次合成就可以生成足夠的小分子,用以編碼多個視頻,使這種方法無疑比基于DNA的方法更省力也更便宜。

用分子實現聽說讀寫畫

該團隊選擇的低分子量分子是寡肽(兩個或多個結合在一起的肽),這些肽常見而穩定,并且比DNA,RNA或蛋白質分子量都要小。

而且由于組成寡肽的氨基酸數量和類型不同,它們的分子質量是有差異的。當不同的寡肽分子混合在一起時,這種差異可以實現相互區分,不同質量的分子就像字母表中的不同字母一樣。

將這些“字母”組成單詞會有點復雜,該團隊將不同質量的寡肽存儲在384個不同的“微孔”中,然后將寡肽混合物放置在金屬板的表面上,就像將墨水印在書頁上一樣。如果想要讀取“寫下”的內容,可以通過質譜儀按質量對微孔中的分子進行分類,查看這個孔中存在哪些寡肽、不存在哪些寡肽,由此讀取內容。

然后團隊使用二進制編碼將混亂的分子翻譯成字母和單詞。例如,字母“K”在ASCII(美國信息交換標準代碼)中被寫作01001011,就可以通過使用八種不同質量的寡肽存儲“K”。將微孔中存在的四種寡肽讀取為“1”,而缺失的四種讀取為“0”(如下表)。這些分子二進制代碼指向相應的字母;如果存儲的信息是圖像,則指向相應的像素。使用這種方法,八種寡肽的混合物可以存儲一個字節的信息; 32種寡肽的混合物可以存儲四個字節,以此類推。

更快,更便捷,更安全

到目前為止,Cafferty和他的團隊已經用這種方法記錄、存儲并“閱讀”了物理學家Richard Feynman的著名演講、Claude Shannon(他被稱為“信息理論之父”)的相片和葛飾北齋的畫作《神奈川沖浪里》。

經檢驗,這種存儲方式的檢索準確率為99.9%。平均“寫入”速度為每秒8bits,“讀取”速度每秒20 bits。雖然目前還比大多數數據存儲設備要慢,但隨著技術的繼續發展,速度肯定還會提升。例如,如果噴墨打印機可以以每秒1,000次的速率產生液滴,就能將更多信息塞入更小的區域,或者再加以改進質譜儀使之可以同時獲取更多信息。

未來,還可以通過引入不同類別的分子,提高存儲的穩定性和容量,并降低成本。實驗中使用寡肽是定制的,因此價格較貴。但未來還可以考慮可以購買更便宜的分子(如烷硫醇),實現花1美分就可以記錄1億比特的信息。

“目前,這種方法還不會取代現有的數據存儲方法,”Cafferty說,“我們認為它是對現有技術的補充,非常適合長期存檔數據存儲。”Cafferty團隊提出的分子存儲方法是一種穩定的、零能耗、抗腐蝕的存儲可選方案。

寡肽等分子具備復原能力,可以在數百年甚至數千年的時間內保持穩定性。在高溫和干旱的情況下,這些分子可以在沒有光或氧的情況下存活下來。而且,黑客無法像攻破云存儲那樣竊取分子存儲的內容,分子存儲只能通過人工訪問。即使被發現藏匿的數據,小偷也需要擁有足夠的化學知識才能實現代碼檢索。

所以未來,即使所有的書都付之一炬,所有的計算機都被黑了,所有DVD都被毀壞,這些分子可能還會繼續存在,提醒未來的人類,我們曾經是多么喜歡那些萌萌的貓咪視頻。


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