搭建遠距離量子網絡 為(wèi)什麽要先搞定量子存儲器(qì)

       量子存儲器(qì)用于儲存光子的糾纏态，作(zuò)為(wèi)不同鏈路內(nèi)糾纏建立以及糾纏交換過程的同步裝置，它是量子中繼器(qì)能夠實現糾纏分發加速的關鍵。我國已利用墨子号衛星實現了長達1200公裏的遠程糾纏分發，但(dàn)尚未引入量子存儲器(qì)。

日前，有(yǒu)媒體(tǐ)報道(dào)了國外學者把一個(gè)量子比特的信息存儲在晶體(tǐ)內(nèi)并保存長達20毫秒(miǎo)的消息，為(wèi)遠距離量子網絡開(kāi)發奠定了重要的基礎。

就如傳統的電(diàn)子計(jì)算(suàn)機一樣，未來(lái)的量子信息技(jì)術(shù)的發展，同樣繞不開(kāi)信息的存儲和(hé)讀取。那(nà)麽，這個(gè)至關重要的量子存儲器(qì)究竟是如何存儲量子信息的？量子信息的存儲又難在哪裏呢？

比經典存儲器(qì)更重要

存儲器(qì)的功能就是把信息存儲起來(lái)，直到需要用到的時(shí)候再讀出。信息的存儲是人(rén)類文明(míng)傳遞的重要手段，也是現代信息技(jì)術(shù)的一個(gè)核心環節。伴随着人(rén)類曆史的發展，信息存儲的介質也在不斷變化。

由經典信息走向量子信息的時(shí)代，量子存儲器(qì)是必不可(kě)少(shǎo)的基礎器(qì)件。對比經典存儲器(qì)，量子存儲器(qì)可(kě)以存儲量子狀态。

經典存儲器(qì)一般以比特為(wèi)單位，現在的經典存儲器(qì)可(kě)以達到TB量級。經典存儲器(qì)一個(gè)存儲單元隻存儲一個(gè)比特，存儲器(qì)的容量實際上(shàng)就是經典存儲單元的個(gè)數(shù)。而由于量子相幹性的特點，量子存儲器(qì)的一個(gè)存儲單元可(kě)以一次性存儲N個(gè)量子比特，也就是N個(gè)模式。近期研究表明(míng)，固态量子存儲器(qì)的存儲容量可(kě)達100個(gè)量子比特。這個(gè)容量已經遠大(dà)于地球上(shàng)所有(yǒu)經典存儲器(qì)之和(hé)。

人(rén)類的大(dà)腦(nǎo)是信息存儲的最早介質，它使得(de)人(rén)類能夠持續生(shēng)存與進化。從語言到文字是人(rén)類文明(míng)進步的一個(gè)轉折點，這一變化使得(de)信息可(kě)以脫離人(rén)本身，以文字等形式保存并傳遞下去。人(rén)們先後使用過石頭雕刻、繩子打結、書(shū)本、磁盤、光盤等形式的存儲器(qì)。

現代數(shù)字信息處理(lǐ)基于二進制(zhì)計(jì)算(suàn)機，所以經典的存儲器(qì)都是存儲比特的，即存儲兩種經典狀态之一：0或者1。大(dà)量比特的組合構成我們所需要的各類信息。經典存儲器(qì)包括電(diàn)腦(nǎo)、手機內(nèi)存、硬盤以及便攜式U盤等。

然而，由于量子信息不可(kě)複制(zhì)且不可(kě)放大(dà)，量子存儲器(qì)在量子信息中的地位比經典存儲器(qì)在經典信息中的地位更加重要。截至目前，國際上(shàng)有(yǒu)許多(duō)研究組從事量子存儲器(qì)的研究，比較主流的物理(lǐ)系統是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體(tǐ)。目前量子存儲器(qì)的各項獨立指标都有(yǒu)比較好的結果，然而綜合指标仍然距離量子中繼的要求相差較遠。

量子中繼器(qì)實現糾纏的關鍵

量子網絡是長程量子通(tōng)信和(hé)分布式量子計(jì)算(suàn)的載體(tǐ)，它可(kě)以基于量子糾纏建立起來(lái)。遠程的量子糾纏态可(kě)以支持包括量子密鑰分發、量子計(jì)算(suàn)機互聯、分布式量子精密測量等衆多(duō)量子信息的應用。單個(gè)光子是量子糾纏、量子信息的理(lǐ)想載體(tǐ)，然而單個(gè)光子在光纖網絡中傳輸面臨指數(shù)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100億分之一。

由于這種不可(kě)避免的信道(dào)損耗，目前基于光纖的糾纏分發距離被限制(zhì)在百千米量級。在經典通(tōng)信中，這個(gè)問題可(kě)以通(tōng)過中繼放大(dà)器(qì)對經典信号不斷放大(dà)來(lái)解決。不幸的是，由于量子不可(kě)克隆定理(lǐ)的限制(zhì)，即未知的量子态不能被精确複制(zhì)，傳統的中繼放大(dà)器(qì)不适用于量子通(tōng)信。遠程量子糾纏分發也就成為(wèi)了量子信息領域的核心挑戰之一。

對于這一難題，一個(gè)可(kě)能的解決方案是量子中繼，其基本思想是把大(dà)尺度網絡分割成多(duō)段小(xiǎo)尺度網絡。比如500千米的量子糾纏傳輸可(kě)以分解為(wèi)5段100千米的短(duǎn)程糾纏，在短(duǎn)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。

這種方法面臨的問題是，每個(gè)100千米的糾纏建立的時(shí)間(jiān)一般不同步，比如第一段可(kě)能在0.05秒(miǎo)建立，第二段可(kě)能在0.02秒(miǎo)建立，第三段又可(kě)能在0.1秒(miǎo)建立。這就需要量子存儲器(qì)同步這個(gè)過程，每個(gè)節點的糾纏一旦成功建立則存儲起來(lái)，等到所有(yǒu)節點都成功建立時(shí)，存儲器(qì)之間(jiān)進行(xíng)糾纏交換最終建立遠程糾纏。所以大(dà)尺度量子網絡要解決的核心問題，就是高(gāo)性能量子存儲器(qì)的物理(lǐ)實現。

具體(tǐ)來(lái)說，量子存儲器(qì)用于儲存光子的糾纏态，作(zuò)為(wèi)不同鏈路內(nèi)糾纏建立以及糾纏交換過程的同步裝置，它是量子中繼器(qì)能夠實現糾纏分發加速的關鍵。基本鏈路內(nèi)使用的信道(dào)包括光纖以及自由空(kōng)間(jiān)信道(dào)。光纖量子中繼的整體(tǐ)結構和(hé)經典光纖通(tōng)信類似，是最有(yǒu)希望達成量子網絡目标的技(jì)術(shù)路線。量子中繼并不能消除光子損耗，但(dàn)可(kě)以把通(tōng)過光纖直接傳輸的指數(shù)損耗轉變為(wèi)可(kě)以容忍的多(duō)項式量級的損耗，這在遠程通(tōng)信中會(huì)展現顯著的優勢。而自由空(kōng)間(jiān)信道(dào)損耗低(dī)于光纖，我國已利用墨子号衛星實現了長達1200公裏的遠程糾纏分發，但(dàn)尚未引入量子存儲器(qì)。

随着量子信息技(jì)術(shù)的快速發展，未來(lái)量子通(tōng)信衛星可(kě)以結合量子存儲器(qì)，實現覆蓋全球的高(gāo)速量子通(tōng)信。

中國科學家(jiā)表現亮眼

我們已經知道(dào)，發展遠程量子通(tōng)信系統的挑戰在于找到一種在不改變信号的情況下重複信号的方法，特别是創建基于量子存儲器(qì)的量子中繼器(qì)。

量子中繼器(qì)包括基本鏈路的糾纏建立和(hé)後續糾纏交換過程。由于糾纏交換過程的成功概率是由量子光學基本原理(lǐ)确定的，而且一般難以提升，為(wèi)了實現高(gāo)速的量子中繼通(tōng)信，基本鏈路糾纏建立的成功概率就變得(de)至關重要。

兩個(gè)主要因素影(yǐng)響着這個(gè)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(dào)傳輸損耗以及探測器(qì)件損耗，光子發射後經曆短(duǎn)程信道(dào)傳輸以及探測過程，會(huì)不可(kě)避免地引入損耗。

2021年6月，中國科學技(jì)術(shù)大(dà)學（以下簡稱中國科大(dà)）郭光燦院士團隊給出了“中國科大(dà)”解決方案。他們首次實現基于吸收型存儲器(qì)的量子中繼基本鏈路，并展現了多(duō)模式量子中繼的通(tōng)信加速效果。這一成果登上(shàng)了《自然》封面。

我國科學家(jiā)在量子存儲器(qì)這一領域取得(de)了一系列突破性成果。2021年4月，中國科大(dà)郭光燦院士團隊把相幹光存儲時(shí)間(jiān)德國研究人(rén)員創下的1分鍾紀錄提升至1小(xiǎo)時(shí)，創造了新的世界紀錄，這意味着量子U盤成為(wèi)可(kě)能。2021年7月，清華大(dà)學段路明(míng)研究組首次在實驗中借助對多(duō)諧振器(qì)系統的動态調控實現了對單光子水(shuǐ)平微波脈沖的保相存儲和(hé)讀取，并利用此方法展示了對時(shí)分編碼量子比特的按需存取。