「簡單來說，我們就是用一塊晶體把光『存起來』，一個小時后取出來發(fā)現(xiàn)，它的相位、偏振等狀態(tài)信息還保存得很好。」

存儲器的功能就是把信息存儲起來，直到需要用到的時候再讀出。在量子通信領(lǐng)域，我們也需要一種存儲器。但這種存儲器比較特殊，因?yàn)樗枰鎯Φ氖枪狻?/p>

科學(xué)家管這種存儲器叫「量子U盤」。

為什么需要「量子U盤」？在量子通信中，單個光子在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸面臨指數(shù)級的損耗：穿越100千米光纖的幾率是百分之一，穿越500千米光纖的幾率降至100億分之一。這使得遠(yuǎn)程量子通信難以實(shí)現(xiàn)。因此，科學(xué)家們就想了一種方法：把光子保存起來，通過運(yùn)輸U(kuò)盤來傳輸量子信息。

有了量子U盤，我們就可以把單個光子存進(jìn)去，并且在存儲壽命范圍內(nèi)，利用汽車、高鐵、飛機(jī)等運(yùn)輸工具把它運(yùn)輸?shù)饺我庵付ǖ攸c(diǎn)。

但這種做法有很大的難度。光在真空中的傳播速度大約是30萬公里/秒，要造一個「量子U盤」，我們就需要讓光「慢下來」。考慮到飛機(jī)和高鐵等運(yùn)輸工具的速度，量子U盤的光存儲時間需要達(dá)到小時量級才有實(shí)用價值。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的李傳鋒、周宗權(quán)研究組（郭光燦院士團(tuán)隊(duì)）在這一方面取得突破，將光存儲時間提升至1小時，大幅刷新了8年前德國團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的1分鐘的世界紀(jì)錄，向?qū)崿F(xiàn)量子U盤邁出重要一步。相關(guān)研究登上了《自然·通訊》期刊。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y

論文第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生馬鈺。審稿人認(rèn)為，「該工作是一項(xiàng)巨大的成就」。

「簡單來說，我們就是用一塊晶體把光『存起來』，一個小時后取出來發(fā)現(xiàn)，它的相位、偏振等狀態(tài)信息還保存得很好。」李傳鋒說。

光的狀態(tài)信息很容易消失，這個研究大大延長了保存的時間，也因此有望催生一系列創(chuàng)新應(yīng)用。比如，將兩臺相距較遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡捕捉到的光，保存后放到一起進(jìn)行「干涉」處理，可以突破單個望遠(yuǎn)鏡的尺寸局限，大幅提升觀測的精度。

量子U盤對構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)具有重要意義。李傳鋒介紹，為實(shí)現(xiàn)量子U盤，不僅要高精度的「留住光」，還要提升信噪比，這也是他們下一步努力的方向。

量子U盤有什么用？

現(xiàn)代數(shù)字信息處理是基于二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的，所以經(jīng)典的存儲器都是存儲比特的，也就是存儲兩種經(jīng)典狀態(tài)之一：0或者1。大量比特的組合構(gòu)成我們所需要的信息。計(jì)算機(jī)內(nèi)存、硬盤、傳統(tǒng)U盤都屬于經(jīng)典的存儲器。

由經(jīng)典信息走向量子信息的時代，量子存儲器是必不可少的基礎(chǔ)器件。對比經(jīng)典存儲器的功能，量子存儲器應(yīng)當(dāng)是可以存儲量子狀態(tài)的，也就是|0?和|1?的任意量子疊加狀態(tài)。量子存儲器在量子信息科學(xué)中具有許多重要功能，包括建立大尺度量子網(wǎng)絡(luò)、構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)等。

量子存儲器的壽命一般在秒量級及以下，存儲器都是固定在某個地點(diǎn)配合光子來實(shí)現(xiàn)諸多功能。2015年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)稀土離子摻雜晶體的自旋態(tài)量子相干壽命長達(dá)6小時。這是量子系統(tǒng)相干壽命的最高水平，并且有望進(jìn)一步提升至幾天的量級。該結(jié)果對量子信息科學(xué)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。

一旦有了量子U盤，我們就可以把單個光子存進(jìn)去，并且在存儲壽命范圍內(nèi)利用運(yùn)輸工具把它運(yùn)輸?shù)饺我庵付ǖ攸c(diǎn)。這是一種革命性的量子通信方案，因?yàn)樗瓌t上可以實(shí)現(xiàn)對量子糾纏物體的經(jīng)典搬運(yùn)。量子通信將不再依賴光纖布網(wǎng)，任何經(jīng)典交通工具能到達(dá)的地方，量子U盤攜帶量子糾纏就能到達(dá)。它將是一種高靈活性且相對低成本的點(diǎn)對點(diǎn)量子通信方式，有望在身份認(rèn)證、簽名、量子密碼、量子信息共享等各領(lǐng)域取得應(yīng)用。

如何「留光」一小時

將相干光的存儲時間盡可能延長是制造量子U盤的關(guān)鍵。關(guān)于稀土離子摻雜晶體的發(fā)現(xiàn)讓人們看到了長壽命光存儲的希望，但由于對該材料的能級結(jié)構(gòu)缺乏了解，科學(xué)家一直未能實(shí)現(xiàn)長壽命光存儲。

李傳鋒、周宗權(quán)研究組長期致力于基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲實(shí)驗(yàn)研究。研究組2015年自制光學(xué)拉曼外差探測核磁共振譜儀，專門用于稀土離子摻雜晶體的能級結(jié)構(gòu)分析。依托該儀器，研究組精確刻畫了摻銪硅酸釔晶體光學(xué)躍遷的完整哈密頓量，并在理論上預(yù)測了ZEFOZ磁場下的能級結(jié)構(gòu)[Journal of Luminescence 802, 32 (2018)]。

近期，課題組結(jié)合理論預(yù)言首次實(shí)驗(yàn)測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下的完整能級結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究組結(jié)合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案以及ZEFOZ技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了光信號的長壽命存儲。

存儲方案示意圖，信號光場（probe）被梳狀的原子吸收譜吸收，并被控制光場（control）存儲為自旋激發(fā)，在射頻（RF）場的操控下延長存儲時間，最終讀取為光信號。

實(shí)驗(yàn)中，光信號首先被AFC吸收成為銪離子系綜的光學(xué)激發(fā)，接著被轉(zhuǎn)移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷一系列自旋保護(hù)脈沖操作后，最終被讀取為光信號，總存儲時間長達(dá)1小時。通過加載相位編碼，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在經(jīng)歷了1個小時存儲后，光的相位存儲保真度高達(dá)96.4 ± 2.5%。

讀出光脈沖信號強(qiáng)度與存儲時間的關(guān)系。

這些結(jié)果表明該裝置具有極強(qiáng)的相干光存儲能力以及用于量子態(tài)存儲的潛力。

2020中國創(chuàng)新指數(shù)排名全球第14，量子科技成就突出

《2020年全球創(chuàng)新指數(shù)（GII）報(bào)告》顯示，在全球131個經(jīng)濟(jì)體中，中國保持在全球創(chuàng)新指數(shù)榜單第14名。近年來，中國的這一排名迅速攀升，其中量子科技領(lǐng)域的創(chuàng)新成就尤為突出。

2017年8月，由我國完全自主研制的世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星「墨子號」在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子通信，標(biāo)志著中國量子通信技術(shù)達(dá)到全面領(lǐng)先地位。2020年12月，中國量子計(jì)算原型機(jī)「九章」問世，使我國成為全球第二個實(shí)現(xiàn)「量子優(yōu)越性」的國家。

2020年8月，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在高維量子通信研究中取得了重要進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，首次實(shí)現(xiàn)了高保真度32維量子糾纏態(tài)。此次郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光量子存儲領(lǐng)域取得的突破將是我國量子科技領(lǐng)域又一重要進(jìn)展。

參考鏈接：

https://physics.ustc.edu.cn/2020/0902/c3542a447972/page.htm

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1698013882347816988&wfr=spider&for=pc

http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/764