量子U盘要来了！中国科学家将光存储时间提升至1小时

2021-04-26 09:14

降低光速的方法有了，那又该如何存储光呢？

光的存储在量子通信领域尤其重要，这是因为基于光量子存储可以构建量子中继，从而克服信道损耗建立起大尺度量子网络。在这里就不得不提到前文所述的“量子U盘”。

量子U盘是一种革命性的远程量子通信的解决方案，比如我们可以把单个光子存储进存储器中，并且在存储寿命范围内，利用汽车、高铁、飞机等运输工具把存储器运输到任意指定地点，这就实现了量子U盘的功能。

因为量子U盘原则上可以实现对量子纠缠物体的经典搬运。量子通信将不再依赖光纤布网，任何经典交通工具能到达的地方，量子U盘携带量子纠缠就能到达。它将是一种高灵活性且相对低成本的点对点量子通信方式，有望在身份认证、签名、量子密码、量子信息共享等各领域取得应用。

值得一提的是量子存储器的容量问题，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（2的40次方）的量级。经典存储器一个存储单元只存储一个比特，所以存储器的容量实际上就是经典存储单元的个数。量子存储器由于量子相干性的特点，它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。

综合来看，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。国际上有许多研究组在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。量子计算需求的量子存储器综合指标相对低一些，但这种存储器的实际应用需要伴随量子计算研究的突破。

量子U盘研究当前面临的主要挑战是如何把单个光子高效率地存储进长寿命的自旋态中以及提高实际系统运输中的抗环境噪声能力。伴随以上研究的逐步推进，量子U盘有望率先进入实用环节。近期的理论研究表明，量子U盘在全球卫星量子通信、甚长基线干涉天文测量系统等领域均具有广泛应用。

本文参考资料：

《中国科大将光存储时间提升至1小时》——中国科学技术大学

《One－hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory》——Nature Communications

《量子十问》——中科院量子信息重点实验室－郭光灿院士

《苏格兰科学家成功降低光速：这意味着什么？》——腾讯科学

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