Os pesquisadores desenvolveram um novo método de armazenamento de dados holográficos que registra e recupera informações tridimensionais combinando três propriedades principais da luz – amplitude, fase e polarização. Ao usar todos os três simultaneamente, a abordagem permite que mais dados sejam armazenados no mesmo espaço, fornecendo uma solução potencial para as crescentes necessidades mundiais de armazenamento de dados.
Os sistemas de armazenamento tradicionais gravam dados em superfícies planas, como discos rígidos ou discos ópticos. Em contraste, o armazenamento de dados holográficos utiliza lasers para incorporar informações em todo o volume do material. Isto cria vários padrões de luz sobrepostos no mesmo espaço, aumentando significativamente a capacidade de armazenamento e permitindo uma transferência de dados mais rápida.
“No armazenamento de dados holográficos tradicional, a codificação de dados geralmente usa apenas uma dimensão óptica, como amplitude ou fase sozinha, ou no máximo uma combinação de duas dessas dimensões”, disse Xiaodi Tan, líder da equipe de pesquisa da Universidade Normal de Fujian, na China. “Com base nos princípios da holografia de polarização, usamos uma arquitetura de aprendizado profundo chamada modelo de rede neural convolucional para conseguir o uso da polarização como uma dimensão independente da informação.”
O estudo foi publicado em ÓpticoA revista de pesquisa de alto impacto do Optica Publishing Group mostra que esta nova tecnologia pode aumentar a quantidade de informações armazenadas e, ao mesmo tempo, facilitar sua recuperação.
“Com maior desenvolvimento e comercialização, este armazenamento de dados holográfico multidimensional pode permitir centros de dados menores e armazenamento de arquivos em grande escala mais eficiente, ao mesmo tempo que melhora a eficiência do processamento e transmissão de dados”, disse Tan. “Também pode contribuir para uma transmissão de dados mais segura, criptografia óptica e imagens avançadas.”
Usando polarização para expandir a codificação de dados
No armazenamento holográfico, as informações são salvas como páginas de dados semelhantes a imagens criadas a partir de padrões de laser. A codificação converte dados digitais nessas páginas e a decodificação os converte novamente em informações utilizáveis.
Embora a luz tenha diversas propriedades que podem ser usadas para transportar mais dados, combiná-las de forma eficaz é difícil na prática. Para superar esse problema, os pesquisadores aprimoraram um método chamado holografia de polarização baseada em tensor, que preserva o estado de polarização da luz durante a reconstrução. Isto torna a polarização um canal confiável para armazenar informações adicionais.
Com base neste trabalho, a equipe criou uma estratégia de codificação de modulação 3D. Ajustando a intensidade e a fase de dois estados de polarização perpendiculares e aplicando tecnologia holográfica bifásica, eles permitiram que um modulador de luz espacial monofásico codificasse amplitude, fase e polarização juntas no campo de luz.
Decodificação de IA de dados ópticos multidimensionais
A decodificação dessas informações combinadas é um desafio porque os sensores padrão medem apenas a intensidade da luz (amplitude) e não podem detectar diretamente a fase ou a polarização. Para resolver este problema, os pesquisadores usaram a teoria holográfica de polarização tensorial e redes neurais convolucionais para recuperar todos os três tipos de dados de imagens de intensidade de difração.
A rede neural foi treinada utilizando duas imagens de difração complementares, uma obtida com e outra sem polarizador vertical. Ao analisar essas imagens, o modelo aprende a identificar padrões relacionados à amplitude, fase e polarização. Isso permite reconstruir todos os três simultaneamente, aumentando a densidade de armazenamento e aumentando a velocidade de transferência de dados.
Rumo a um armazenamento de dados mais rápido e com maior capacidade
Depois de confirmar este conceito, os pesquisadores construíram um sistema compacto capaz de registrar e reconstruir campos de luz codificados em materiais sensíveis à polarização. Durante o teste, as imagens de intensidade são analisadas para detectar características relacionadas à amplitude, fase e polarização. Eles são então usados como entrada para uma rede neural para obter uma reconstrução 3D completa usando apenas medições baseadas em intensidade.
“No geral, nossos resultados mostram que a codificação conjunta multidimensional aumenta muito a informação transportada por uma única página de dados holográficos, melhorando assim a capacidade de armazenamento”, disse Tan. “Além disso, a decodificação síncrona da rede neural reduz a necessidade de medições complexas e reconstrução gradual, suportando leitura e decodificação mais eficientes. Isso pode fornecer um caminho prático para obter armazenamento de dados holográficos de alta capacidade e alto rendimento.”
Próximos passos para aplicação prática
Os pesquisadores ressaltam que o sistema ainda está em fase de pesquisa e precisa de mais desenvolvimento antes de poder ser colocado em uso comercial. O trabalho futuro centrar-se-á na melhoria da escala de cinzentos utilizada na codificação para expandir ainda mais a capacidade, bem como na melhoria da estabilidade, uniformidade e repetibilidade a longo prazo dos materiais gravados.
Eles também planejam combinar essa abordagem com multiplexação holográfica volumétrica, o que poderia permitir o armazenamento simultâneo de múltiplas páginas e canais de dados. A integração aprimorada entre hardware óptico e algoritmos de decodificação é fundamental para permitir uma recuperação de dados mais rápida e confiável em condições reais.
