◎本報記者 吳長鋒

　　量子存儲(chu) 器用於(yu) 儲(chu) 存光子的糾纏態，作為(wei) 不同鏈路內(nei) 糾纏建立以及糾纏交換過程的同步裝置，它是量子中繼器能夠實現糾纏分發加速的關(guan) 鍵。我國已利用墨子號衛星實現了長達1200公裏的遠程糾纏分發，但尚未引入量子存儲(chu) 器。

　　日前，有媒體(ti) 報道了國外學者把一個(ge) 量子比特的信息存儲(chu) 在晶體(ti) 內(nei) 並保存長達20毫秒的消息，為(wei) 遠距離量子網絡開發奠定了重要的基礎。

　　就如傳(chuan) 統的電子計算機一樣，未來的量子信息技術的發展，同樣繞不開信息的存儲(chu) 和讀取。那麽(me) ，這個(ge) 至關(guan) 重要的量子存儲(chu) 器究竟是如何存儲(chu) 量子信息的？量子信息的存儲(chu) 又難在哪裏呢？

　　比經典存儲(chu) 器更重要

　　存儲(chu) 器的功能就是把信息存儲(chu) 起來，直到需要用到的時候再讀出。信息的存儲(chu) 是人類文明傳(chuan) 遞的重要手段，也是現代信息技術的一個(ge) 核心環節。伴隨著人類曆史的發展，信息存儲(chu) 的介質也在不斷變化。

　　人類的大腦是信息存儲(chu) 的最早介質，它使得人類能夠持續生存與(yu) 進化。從(cong) 語言到文字是人類文明進步的一個(ge) 轉折點，這一變化使得信息可以脫離人本身，以文字等形式保存並傳(chuan) 遞下去。人們(men) 先後使用過石頭雕刻、繩子打結、書(shu) 本、磁盤、光盤等形式的存儲(chu) 器。

　　現代數字信息處理基於(yu) 二進製計算機，所以經典的存儲(chu) 器都是存儲(chu) 比特的，即存儲(chu) 兩(liang) 種經典狀態之一：0或者1。大量比特的組合構成我們(men) 所需要的各類信息。經典存儲(chu) 器包括電腦、手機內(nei) 存、硬盤以及便攜式U盤等。

　　由經典信息走向量子信息的時代，量子存儲(chu) 器是必不可少的基礎器件。對比經典存儲(chu) 器，量子存儲(chu) 器可以存儲(chu) 量子狀態。

　　經典存儲(chu) 器一般以比特為(wei) 單位，現在的經典存儲(chu) 器可以達到TB量級。經典存儲(chu) 器一個(ge) 存儲(chu) 單元隻存儲(chu) 一個(ge) 比特，存儲(chu) 器的容量實際上就是經典存儲(chu) 單元的個(ge) 數。而由於(yu) 量子相幹性的特點，量子存儲(chu) 器的一個(ge) 存儲(chu) 單元可以一次性存儲(chu) N個(ge) 量子比特，也就是N個(ge) 模式。近期研究表明，固態量子存儲(chu) 器的存儲(chu) 容量可達100個(ge) 量子比特。這個(ge) 容量已經遠大於(yu) 地球上所有經典存儲(chu) 器之和。

　　然而，由於(yu) 量子信息不可複製且不可放大，量子存儲(chu) 器在量子信息中的地位比經典存儲(chu) 器在經典信息中的地位更加重要。截至目前，國際上有許多研究組從(cong) 事量子存儲(chu) 器的研究，比較主流的物理係統是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體(ti) 。目前量子存儲(chu) 器的各項獨立指標都有比較好的結果，然而綜合指標仍然距離量子中繼的要求相差較遠。

　　量子中繼器實現糾纏的關(guan) 鍵

　　量子網絡是長程量子通信和分布式量子計算的載體(ti) ，它可以基於(yu) 量子糾纏建立起來。遠程的量子糾纏態可以支持包括量子密鑰分發、量子計算機互聯、分布式量子精密測量等眾(zhong) 多量子信息的應用。單個(ge) 光子是量子糾纏、量子信息的理想載體(ti) ，然而單個(ge) 光子在光纖網絡中傳(chuan) 輸麵臨(lin) 指數級的損耗，單光子穿越100千米光纖的幾率是百分之一，而穿越500千米光纖的幾率則降至100億(yi) 分之一。

　　由於(yu) 這種不可避免的信道損耗，目前基於(yu) 光纖的糾纏分發距離被限製在百千米量級。在經典通信中，這個(ge) 問題可以通過中繼放大器對經典信號不斷放大來解決(jue) 。不幸的是，由於(yu) 量子不可克隆定理的限製，即未知的量子態不能被精確複製，傳(chuan) 統的中繼放大器不適用於(yu) 量子通信。遠程量子糾纏分發也就成為(wei) 了量子信息領域的核心挑戰之一。

　　對於(yu) 這一難題，一個(ge) 可能的解決(jue) 方案是量子中繼，其基本思想是把大尺度網絡分割成多段小尺度網絡。比如500千米的量子糾纏傳(chuan) 輸可以分解為(wei) 5段100千米的短程糾纏，在短程糾纏依次成功建立的條件下，再利用糾纏交換建立遠程糾纏。

　　這種方法麵臨(lin) 的問題是，每個(ge) 100千米的糾纏建立的時間一般不同步，比如第一段可能在0.05秒建立，第二段可能在0.02秒建立，第三段又可能在0.1秒建立。這就需要量子存儲(chu) 器同步這個(ge) 過程，每個(ge) 節點的糾纏一旦成功建立則存儲(chu) 起來，等到所有節點都成功建立時，存儲(chu) 器之間進行糾纏交換最終建立遠程糾纏。所以大尺度量子網絡要解決(jue) 的核心問題，就是高性能量子存儲(chu) 器的物理實現。

　　具體(ti) 來說，量子存儲(chu) 器用於(yu) 儲(chu) 存光子的糾纏態，作為(wei) 不同鏈路內(nei) 糾纏建立以及糾纏交換過程的同步裝置，它是量子中繼器能夠實現糾纏分發加速的關(guan) 鍵。基本鏈路內(nei) 使用的信道包括光纖以及自由空間信道。光纖量子中繼的整體(ti) 結構和經典光纖通信類似，是最有希望達成量子網絡目標的技術路線。量子中繼並不能消除光子損耗，但可以把通過光纖直接傳(chuan) 輸的指數損耗轉變為(wei) 可以容忍的多項式量級的損耗，這在遠程通信中會(hui) 展現顯著的優(you) 勢。而自由空間信道損耗低於(yu) 光纖，我國已利用墨子號衛星實現了長達1200公裏的遠程糾纏分發，但尚未引入量子存儲(chu) 器。

　　隨著量子信息技術的快速發展，未來量子通信衛星可以結合量子存儲(chu) 器，實現覆蓋全球的高速量子通信。

　　中國科學家表現亮眼

　　我們(men) 已經知道，發展遠程量子通信係統的挑戰在於(yu) 找到一種在不改變信號的情況下重複信號的方法，特別是創建基於(yu) 量子存儲(chu) 器的量子中繼器。

　　量子中繼器包括基本鏈路的糾纏建立和後續糾纏交換過程。由於(yu) 糾纏交換過程的成功概率是由量子光學基本原理確定的，而且一般難以提升，為(wei) 了實現高速的量子中繼通信，基本鏈路糾纏建立的成功概率就變得至關(guan) 重要。

　　兩(liang) 個(ge) 主要因素影響著這個(ge) 成功概率的提升，一是量子糾纏源的發射概率，即一次糾纏光子發射，實際成功發射光子的概率。二是信道傳(chuan) 輸損耗以及探測器件損耗，光子發射後經曆短程信道傳(chuan) 輸以及探測過程，會(hui) 不可避免地引入損耗。

　　2021年6月，中國科學技術大學(以下簡稱中國科大)郭光燦院士團隊給出了“中國科大”解決(jue) 方案。他們(men) 首次實現基於(yu) 吸收型存儲(chu) 器的量子中繼基本鏈路，並展現了多模式量子中繼的通信加速效果。這一成果登上了《自然》封麵。

　　中國科大團隊把量子光源劃分為(wei) 確定性量子光源和概率性量子光源。前者的發射概率原則上可達1，後者在實際使用時為(wei) 了避免多光子噪聲，保證糾纏保真度，發射概率一般控製在0.1以下。前文提到的兩(liang) 個(ge) 製約因素中，第一個(ge) 問題使用確定性光源即可解決(jue) ，為(wei) 了避免多光子發射事件，確定性光源一般要基於(yu) 單量子係統實現，具體(ti) 包括單原子、量子點、單個(ge) 晶格缺陷等。解決(jue) 第二個(ge) 問題則需要引入與(yu) 經典通信中類似的複用技術，即一次性存儲(chu) 多個(ge) 光子，這要求基於(yu) 原子係統的量子存儲(chu) 器。在基本鏈路的糾纏建立過程中，如果同時使用N個(ge) 模式，則處於(yu) N個(ge) 模式的光子隻要有一個(ge) 模式成功即可建立節點間的糾纏，可以大幅提高糾纏建立的成功概率並提升最終的糾纏分發的速率。

　　此前，有關(guan) 量子存儲(chu) 器的研究主要聚焦於(yu) 量子通信領域的應用，例如，基於(yu) 多模式量子存儲(chu) 建立量子中繼，從(cong) 而構建遠程的量子互聯網，或基於(yu) 超長壽命量子存儲(chu) 實現可移動的量子U盤。

　　我國科學家在量子存儲(chu) 器這一領域取得了一係列突破性成果。2021年4月，中國科大郭光燦院士團隊把相幹光存儲(chu) 時間德國研究人員創下的1分鍾紀錄提升至1小時，創造了新的世界紀錄，這意味著量子U盤成為(wei) 可能。2021年7月，清華大學段路明研究組首次在實驗中借助對多諧振器係統的動態調控實現了對單光子水平微波脈衝(chong) 的保相存儲(chu) 和讀取，並利用此方法展示了對時分編碼量子比特的按需存取。