搭建遠距離量子網絡為什么要先搞定量子存儲器

量子存儲器用于儲存光子的糾纏態，作為不同鏈路內糾纏建立以及糾纏交換過程的同步裝置，它是量子中繼器能夠實現糾纏分發加速的關鍵。我國已利用墨子號衛星實現了長達1200公里的遠程糾纏分發，但尚未引入量子存儲器。

日前，有媒體報道了國外學者把一個量子比特的信息存儲在晶體內并保存長達20毫秒的消息，為遠距離量子網絡開發奠定了重要的基礎。

就如傳統的電子計算機一樣，未來的量子信息技術的發展，同樣繞不開信息的存儲和讀取。那么，這個至關重要的量子存儲器究竟是如何存儲量子信息的？量子信息的存儲又難在哪里呢？

比經典存儲器更重要

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。信息的存儲是人類文明傳遞的重要手段，也是現代信息技術的一個核心環節。伴隨著人類歷史的發展，信息存儲的介質也在不斷變化。

人類的大腦是信息存儲的最早介質，它使得人類能夠持續生存與進化。從語言到文字是人類文明進步的一個轉折點，這一變化使得信息可以脫離人本身，以文字等形式保存并傳遞下去。人們先后使用過石頭雕刻、繩子打結、書本、磁盤、光盤等形式的存儲器。

現代數字信息處理基于二進制計算機，所以經典的存儲器都是存儲比特的，即存儲兩種經典狀態之一：0或者1。大量比特的組合構成我們所需要的各類信息。經典存儲器包括電腦、手機內存、硬盤以及便攜式U盤等。

由經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器件。對比經典存儲器，量子存儲器可以存儲量子狀態。

經典存儲器一般以比特為單位，現在的經典存儲器可以達到TB量級。經典存儲器一個存儲單元只存儲一個比特，存儲器的容量實際上就是經典存儲單元的個數。而由于量子相干性的特點，量子存儲器的一個存儲單元可以一次性存儲N個量子比特，也就是N個模式。近期研究表明，固態量子存儲器的存儲容量可達100個量子比特。這個容量已經遠大于地球上所有經典存儲器之和。

然而，由于量子信息不可復制且不可放大，量子存儲器在量子信息中的地位比經典存儲器在經典信息中的地位更加重要。截至目前，國際上有許多研究組從事量子存儲器的研究，比較主流的物理系統是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體。目前量子存儲器的各項獨立指標都有比較好的結果，然而綜合指標仍然距離量子中繼的要求相差較遠。

量子中繼器實現糾纏的關鍵

量子網絡是長程量子通信和分布式量子計算的載體，它可以基于量子糾纏建立起來。遠程的量子糾纏態可以支持包括量子密鑰分發、量子計算機互聯、分布式量子精密測量等眾多量子信息的應用。單個光子是量子糾纏、量子信息的理想載體，然而單個光子在光纖網絡中傳輸面臨指數級的損耗，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。

由于這種不可避免的信道損耗，目前基于光纖的糾纏分發距離被限制在百千米量級。在經典通信中，這個問題可以通過中繼放大器對經典信號不斷放大來解決。不幸的是，由于量子不可克隆定理的限制，即未知的量子態不能被精確復制，傳統的中繼放大器不適用于量子通信。遠程量子糾纏分發也就成為了量子信息領域的核心挑戰之一。

對于這一難題，一個可能的解決方案是量子中繼，其基本思想是把大尺度網絡分割成多段小尺度網絡。比如500千米的量子糾纏傳輸可以分解為5段100千米的短程糾纏，在短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100千米的糾纏建立的時間一般不同步，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。這就需要量子存儲器同步這個過程，每個節點的糾纏一旦成功建立則存儲起來，等到所有節點都成功建立時，存儲器之間進行糾纏交換最終建立遠程糾纏。所以大尺度量子網絡要解決的核心問題，就是高性能量子存儲器的物理實現。

具體來說，量子存儲器用于儲存光子的糾纏態，作為不同鏈路內糾纏建立以及糾纏交換過程的同步裝置，它是量子中繼器能夠實現糾纏分發加速的關鍵。基本鏈路內使用的信道包括光纖以及自由空間信道。光纖量子中繼的整體結構和經典光纖通信類似，是最有希望達成量子網絡目標的技術路線。量子中繼并不能消除光子損耗，但可以把通過光纖直接傳輸的指數損耗轉變為可以容忍的多項式量級的損耗，這在遠程通信中會展現顯著的優勢。而自由空間信道損耗低于光纖，我國已利用墨子號衛星實現了長達1200公里的遠程糾纏分發，但尚未引入量子存儲器。

隨著量子信息技術的快速發展，未來量子通信衛星可以結合量子存儲器，實現覆蓋全球的高速量子通信。

中國科學家表現亮眼

我們已經知道，發展遠程量子通信系統的挑戰在于找到一種在不改變信號的情況下重復信號的方法，特別是創建基于量子存儲器的量子中繼器。

量子中繼器包括基本鏈路的糾纏建立和后續糾纏交換過程。由于糾纏交換過程的成功概率是由量子光學基本原理確定的，而且一般難以提升，為了實現高速的量子中繼通信，基本鏈路糾纏建立的成功概率就變得至關重要。

兩個主要因素影響著這個成功概率的提升，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。二是信道傳輸損耗以及探測器件損耗，光子發射后經歷短程信道傳輸以及探測過程，會不可避免地引入損耗。

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

中國科大團隊把量子光源劃分為確定性量子光源和概率性量子光源。前者的發射概率原則上可達1，后者在實際使用時為了避免多光子噪聲，保證糾纏保真度，發射概率一般控制在0.1以下。前文提到的兩個制約因素中，第一個問題使用確定性光源即可解決，為了避免多光子發射事件，確定性光源一般要基于單量子系統實現，具體包括單原子、量子點、單個晶格缺陷等。解決第二個問題則需要引入與經典通信中類似的復用技術，即一次性存儲多個光子，這要求基于原子系統的量子存儲器。在基本鏈路的糾纏建立過程中，如果同時使用N個模式，則處于N個模式的光子只要有一個模式成功即可建立節點間的糾纏，可以大幅提高糾纏建立的成功概率并提升最終的糾纏分發的速率。

此前，有關量子存儲器的研究主要聚焦于量子通信領域的應用，例如，基于多模式量子存儲建立量子中繼，從而構建遠程的量子互聯網，或基于超長壽命量子存儲實現可移動的量子U盤。