搭建远距离量子网络 为什么要先搞定量子存储器

◎本报记者 吴长锋

量子存储器用于储存光子的纠缠态，作为不同链路内纠缠建立以及纠缠交换过程的同步装置，它是量子中继器能够实现纠缠分发加速的关键。我国已利用墨子号卫星实现了长达1200公里的远程纠缠分发，但尚未引入量子存储器。

日前，有媒体报道了国外学者把一个量子比特的信息存储在晶体内并保存长达20毫秒的消息，为远距离量子网络开发奠定了重要的基础。

就如传统的电子计算机一样，未来的量子信息技术的发展，同样绕不开信息的存储和读取。那么，这个至关重要的量子存储器究竟是如何存储量子信息的？量子信息的存储又难在哪里呢？

比经典存储器更重要

存储器的功能就是把信息存储起来，直到需要用到的时候再读出。信息的存储是人类文明传递的重要手段，也是现代信息技术的一个核心环节。伴随着人类历史的发展，信息存储的介质也在不断变化。

人类的大脑是信息存储的最早介质，它使得人类能够持续生存与进化。从语言到文字是人类文明进步的一个转折点，这一变化使得信息可以脱离人本身，以文字等形式保存并传递下去。人们先后使用过石头雕刻、绳子打结、书本、磁盘、光盘等形式的存储器。

现代数字信息处理基于二进制计算机，所以经典的存储器都是存储比特的，即存储两种经典状态之一：0或者1。大量比特的组合构成我们所需要的各类信息。经典存储器包括电脑、手机内存、硬盘以及便携式U盘等。

由经典信息走向量子信息的时代，量子存储器是必不可少的基础器件。对比经典存储器，量子存储器可以存储量子状态。

经典存储器一般以比特为单位，现在的经典存储器可以达到TB量级。经典存储器一个存储单元只存储一个比特，存储器的容量实际上就是经典存储单元的个数。而由于量子相干性的特点，量子存储器的一个存储单元可以一次性存储N个量子比特，也就是N个模式。近期研究表明，固态量子存储器的存储容量可达100个量子比特。这个容量已经远大于地球上所有经典存储器之和。

然而，由于量子信息不可复制且不可放大，量子存储器在量子信息中的地位比经典存储器在经典信息中的地位更加重要。截至目前，国际上有许多研究组从事量子存储器的研究，比较主流的物理系统是冷原子、热原子以及稀土离子掺杂晶体。目前量子存储器的各项独立指标都有比较好的结果，然而综合指标仍然距离量子中继的要求相差较远。

量子中继器实现纠缠的关键

量子网络是长程量子通信和分布式量子计算的载体，它可以基于量子纠缠建立起来。远程的量子纠缠态可以支持包括量子密钥分发、量子计算机互联、分布式量子精密测量等众多量子信息的应用。单个光子是量子纠缠、量子信息的理想载体，然而单个光子在光纤网络中传输面临指数级的损耗，单光子穿越100千米光纤的几率是百分之一，而穿越500千米光纤的几率则降至100亿分之一。

由于这种不可避免的信道损耗，目前基于光纤的纠缠分发距离被限制在百千米量级。在经典通信中，这个问题可以通过中继放大器对经典信号不断放大来解决。不幸的是，由于量子不可克隆定理的限制，即未知的量子态不能被精确复制，传统的中继放大器不适用于量子通信。远程量子纠缠分发也就成为了量子信息领域的核心挑战之一。

对于这一难题，一个可能的解决方案是量子中继，其基本思想是把大尺度网络分割成多段小尺度网络。比如500千米的量子纠缠传输可以分解为5段100千米的短程纠缠，在短程纠缠依次成功建立的条件下，再利用纠缠交换建立远程纠缠。

这种方法面临的问题是，每个100千米的纠缠建立的时间一般不同步，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。这就需要量子存储器同步这个过程，每个节点的纠缠一旦成功建立则存储起来，等到所有节点都成功建立时，存储器之间进行纠缠交换最终建立远程纠缠。所以大尺度量子网络要解决的核心问题，就是高性能量子存储器的物理实现。

具体来说，量子存储器用于储存光子的纠缠态，作为不同链路内纠缠建立以及纠缠交换过程的同步装置，它是量子中继器能够实现纠缠分发加速的关键。基本链路内使用的信道包括光纤以及自由空间信道。光纤量子中继的整体结构和经典光纤通信类似，是最有希望达成量子网络目标的技术路线。量子中继并不能消除光子损耗，但可以把通过光纤直接传输的指数损耗转变为可以容忍的多项式量级的损耗，这在远程通信中会展现显著的优势。而自由空间信道损耗低于光纤，我国已利用墨子号卫星实现了长达1200公里的远程纠缠分发，但尚未引入量子存储器。

随着量子信息技术的快速发展，未来量子通信卫星可以结合量子存储器，实现覆盖全球的高速量子通信。

中国科学家表现亮眼

我们已经知道，发展远程量子通信系统的挑战在于找到一种在不改变信号的情况下重复信号的方法，特别是创建基于量子存储器的量子中继器。

量子中继器包括基本链路的纠缠建立和后续纠缠交换过程。由于纠缠交换过程的成功概率是由量子光学基本原理确定的，而且一般难以提升，为了实现高速的量子中继通信，基本链路纠缠建立的成功概率就变得至关重要。

两个主要因素影响着这个成功概率的提升，一是量子纠缠源的发射概率，即一次纠缠光子发射，实际成功发射光子的概率。二是信道传输损耗以及探测器件损耗，光子发射后经历短程信道传输以及探测过程，会不可避免地引入损耗。

2021年6月，中国科学技术大学(以下简称中国科大)郭光灿院士团队给出了“中国科大”解决方案。他们首次实现基于吸收型存储器的量子中继基本链路，并展现了多模式量子中继的通信加速效果。这一成果登上了《自然》封面。

中国科大团队把量子光源划分为确定性量子光源和概率性量子光源。前者的发射概率原则上可达1，后者在实际使用时为了避免多光子噪声，保证纠缠保真度，发射概率一般控制在0.1以下。前文提到的两个制约因素中，第一个问题使用确定性光源即可解决，为了避免多光子发射事件，确定性光源一般要基于单量子系统实现，具体包括单原子、量子点、单个晶格缺陷等。解决第二个问题则需要引入与经典通信中类似的复用技术，即一次性存储多个光子，这要求基于原子系统的量子存储器。在基本链路的纠缠建立过程中，如果同时使用N个模式，则处于N个模式的光子只要有一个模式成功即可建立节点间的纠缠，可以大幅提高纠缠建立的成功概率并提升最终的纠缠分发的速率。

此前，有关量子存储器的研究主要聚焦于量子通信领域的应用，例如，基于多模式量子存储建立量子中继，从而构建远程的量子互联网，或基于超长寿命量子存储实现可移动的量子U盘。

我国科学家在量子存储器这一领域取得了一系列突破性成果。2021年4月，中国科大郭光灿院士团队把相干光存储时间德国研究人员创下的1分钟纪录提升至1小时，创造了新的世界纪录，这意味着量子U盘成为可能。2021年7月，清华大学段路明研究组首次在实验中借助对多谐振器系统的动态调控实现了对单光子水平微波脉冲的保相存储和读取，并利用此方法展示了对时分编码量子比特的按需存取。