為量子計算機安裝一個“存儲器”

在現(xiàn)代社會中，隨著光纖的全面鋪開使用，光已經(jīng)是信息傳輸?shù)闹匾d體，世界各國也都在加大對量子通信技術的研發(fā)與投入。但即便是目前最先進的量子通信技術，光仍然是量子系統(tǒng)最優(yōu)選擇的信息載體。然而如果要進行長距離的信息傳輸，就不得不面臨一個令人十分頭疼的問題，那就是光信號在長距離傳輸中會遭遇衰減以及失真，影響信息傳輸效率。 盡管一些國家嘗試過利用中繼衛(wèi)星來解決這一問題，但這種方式成本過高，而且十分復雜。把光存儲起來，則是目前解決光信號長距離傳輸衰減嚴重的最優(yōu)解。

做到如此，只需建立一個光量子存儲系統(tǒng)，隨后將這一系統(tǒng)運用到衛(wèi)星上，這樣一來，長距離光信號傳輸衰減的問題便迎刃而解，同時還能實現(xiàn)全球范圍內的量子通信。如果要實現(xiàn)光量子存儲系統(tǒng)的設想，那么光信號就必須被留住至少一小時以上，同時還要能把這些光信號同時束縛在一個空間里，這樣才能成功建立起一個能用的光量子存儲系統(tǒng)。

為了達成這一目標，從90年代開始，世界各國就開始了對如何留住光這個問題展開一系列研究。最先研究出成果的是美國，在1999年，來自哈佛大學的科研團隊嘗試把光變慢，從而將其禁錮起來。最終在2001年，該團隊成功把光存儲了幾秒鐘時間。在美國之后，德國也于2013年做出了成果，德國團隊利用電磁誘導透明效應，成功把光留住了一分鐘，創(chuàng)造了這一領域的世界紀錄。但這離建立光量子存儲系統(tǒng)的目標仍然相去甚遠。

相比之下，我國科研團隊這次的成功，顯然是在量子通信領域向前跨進了一大步。不同于美國跟德國團隊，我國這次將電磁誘導透明效應與原子頻率梳技術結合起來，成功把光禁錮了一個小時，這也意味著我國未來還可能實現(xiàn)量子U盤的研發(fā)，相比于普通的U盤，量子U盤無需擔心技術泄密，即使U盤丟失，丟的也只是外殼，里面的數(shù)據(jù)將被永久保存在存儲系統(tǒng)中。

| 光的重要性

光之所以能充當如此重要的信息媒介，在于光是一種電磁波。就像我們手機發(fā)射的微波信號和收音機的無線電波一樣，光作為電磁波也同樣可承載信息。通過電磁波作為信號傳輸，不僅距離遠，傳輸穩(wěn)定，而且速度快。 我們?yōu)楹螣o法感知電磁波的存在，卻可看到光呢？這是因為微波等其他電磁波和可見光的波長（或者頻率）并不相同。我們身邊的可見光波長范圍僅處于380～750納米這一狹窄范圍內。這一范圍外的所有電磁波，都無法通過肉眼感知。

| 怎樣“留住”光

大家都知道光速是目前人類已知的最快速度，而我國科研團隊用一個硬幣厚的晶片將光儲存1個小時，成功的將光速慢了下來。在1個小時后，該晶片將光釋放出來并且是“活”的。我國科研團隊采用的晶片是銪摻雜硅酸釔系綜。我們可以把這個“系綜”理解成一團物質的集合即可。銪摻雜硅酸釔系綜，存在一個銪離子系統(tǒng)，可很好地抵御環(huán)境中的磁場擾動，因此能大大提升量子光存儲的穩(wěn)定性。

在實驗中，光信號首先被吸收成為銪離子系綜的光學激發(fā)，接著被轉移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷一系列自旋保護脈沖操作后，最終被讀取為光信號，且光的存儲保真度高達96.4±2.5%。在讀取時，科學團隊發(fā)現(xiàn)光的相位、偏振和其他狀態(tài)信息仍然保存得很好。量子光存儲的壽命雖然僅僅提升到了1個小時，但這短暫的1小時是量子通信和量子計算機技術發(fā)展的一大步。

| 儲存光的意義

我們的整個通信網(wǎng)絡和用戶手中的各種終端，除了對信息傳輸有所需求外，同樣離不開信息存儲。當你把自拍照通過微信傳遞給親友時，照片先通過WiFi或者運營商的無線網(wǎng)絡進行傳輸，當它們到達對方手機時，已存入手機的微信緩存中了。也就是說，任何信息要想保留下來，都需要有個存儲器。

雖然目前量子計算機已經(jīng)被研發(fā)出來了，但是時下的量子計算機都有一個共同的特點：沒有存儲器。就相當于電腦沒有硬盤，不能存儲光的數(shù)據(jù)。所以它的運行方式只能是通過電信號轉換成光信號，又或者采用光纖直連，再或者通過激光衛(wèi)星通信，像一些比較大的數(shù)據(jù)，量子計算機就很難處理。但是如果可以進行光的存儲，就意味著量子計算機能處理更多的數(shù)據(jù)源，甚至還可以統(tǒng)一未來量子計算機的通用標準。

當量子通信和量子計算機真正走向實用化時，如今的計算機和整個通信網(wǎng)絡都將要“大洗牌”，我們不得不重新開發(fā)相應的傳輸和存儲技術。目前，我國的量子通信正走在世界的前列，是全球公開的，最安全的通信加密技術，未來將會更好地保障通信安全。

（圖片來源于網(wǎng)絡）