清華量子存儲(chǔ)器有啥用？看看此文的解釋吧

日前，清華大學(xué)量子信息中心段路明研究組首次實(shí)現(xiàn)具有225個(gè)存儲(chǔ)單元的原子量子存儲(chǔ)器，將原有量子存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量的國際記錄(12個(gè))提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。該成果的研究論文《225個(gè)存儲(chǔ)單元的量子存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)》于5月8日發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)。

本次取得的技術(shù)突破要辯證來看，在看到提高國際記錄一個(gè)數(shù)量級(jí)的技術(shù)進(jìn)步而欣喜的同時(shí)，也要認(rèn)識(shí)到這只是量子中繼實(shí)用化的一小步，要真正實(shí)現(xiàn)量子中繼實(shí)用化還有很長的路要走。

原子量子存儲(chǔ)器陣列實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，來源：清華新聞網(wǎng)

量子存儲(chǔ)器技術(shù)突破是怎么回事

在2001年，段路明與合作者提出DLCZ(Duan-Lukin-Cirac-Zoller)方案，利用原子量子存儲(chǔ)器和單光子信道的結(jié)合以抑制衰減。該方案在量子信息領(lǐng)域引起很大反響，美國、中國、歐洲的多個(gè)研究組致力于在實(shí)驗(yàn)室上實(shí)現(xiàn)該方案，取得了一系列重要進(jìn)展。《現(xiàn)代物理評(píng)論》(Review of Modern Physics)和《自然》曾發(fā)表專文介紹相關(guān)進(jìn)展。

段路明

本次發(fā)表于Nature Communications雜志的研究論文的內(nèi)容是利用二維可編程光路，保持了兩百多個(gè)激光光路之間的相干性，實(shí)現(xiàn)了光子態(tài)與任意一對(duì)原子存儲(chǔ)單元間量子糾纏的存儲(chǔ)與讀取，并證明各量子存儲(chǔ)單元可以分別獨(dú)立操作，避免了相互干擾。

段路明研究組引入二維量子存儲(chǔ)陣列的方法大大提高了量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，將原子存儲(chǔ)單元的數(shù)目增加到225個(gè)，而在此之前，美國研究組通過空間分波法只實(shí)現(xiàn)了12個(gè)存儲(chǔ)單元的量子存儲(chǔ)器。

有助于實(shí)現(xiàn)量子中繼實(shí)用化

那么，本次段路明研究組研發(fā)的量子存儲(chǔ)器有什么具體用途呢?

根據(jù)論文的內(nèi)容來看，段路明研究組的技術(shù)成果，量子存儲(chǔ)器和所謂的量子存儲(chǔ)芯片不是一個(gè)概念，應(yīng)該是面向量子中繼的，未來可能用于遠(yuǎn)距離量子通信，而對(duì)量子計(jì)算不是特別針對(duì)。段路明研究組研發(fā)的量子存儲(chǔ)器其實(shí)是偏向于量子通信領(lǐng)域，而且有助于實(shí)現(xiàn)量子中繼實(shí)用化。

在遠(yuǎn)距離量子通信中，單個(gè)光子在光纖中會(huì)被吸收和散射，所以傳輸距離是受限制的——目前量子密鑰分配最遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)距離是300公里，而在商業(yè)使用中，傳輸距離肯定要比實(shí)驗(yàn)距離打一定折扣的。而且經(jīng)典通信所采用的信號(hào)放大和中繼技術(shù)對(duì)此無濟(jì)于事，因而就必須采用新技術(shù)克服單光子信號(hào)在傳輸信道中的指數(shù)衰減問題。

這時(shí)候就必須使用中繼站，在中繼上出現(xiàn)兩個(gè)選擇，一個(gè)是量子中繼和可信中繼。

可信中繼有點(diǎn)類似于量子密鑰接力賽，密鑰在可信任中繼站之間接力遞送。不過這樣一來，密鑰就要“落地”到中繼站，如果中繼站被敵方特工控制，那么，量子通信就有遭到竊聽的可能性。因此，在采用可信中繼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信的情況下，中繼站必須是可信的，可信中繼的名稱也由此而來。

雖然存在這種瑕疵，但瑕不掩瑜，相對(duì)于經(jīng)典通信的往往處處設(shè)防，而處處設(shè)防往往導(dǎo)致防御力量被削弱，因而導(dǎo)致容易被攻破;使用可信中繼的遠(yuǎn)距離量子通信則變?yōu)榧袃?yōu)勢兵力重點(diǎn)設(shè)防。

舉例來說，全長為兩千公里的京滬量子通信干線整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)共有32個(gè)可信任中繼站，而且可以通過技術(shù)手段，把防御重點(diǎn)放在幾個(gè)重點(diǎn)站點(diǎn)，換言之，只要堅(jiān)守重點(diǎn)站點(diǎn)就能保障京滬量子通信干線的信息安全。這相對(duì)于以往的經(jīng)典通信在安全性上有非常大的優(yōu)勢。

另一種中繼是量子中繼。量子中繼以量子糾纏分發(fā)技術(shù)先在各相鄰站點(diǎn)間建立共享糾纏對(duì)，以量子存儲(chǔ)技術(shù)將糾纏對(duì)儲(chǔ)存。將量子糾纏對(duì)布置在各相鄰站點(diǎn)，應(yīng)用糾纏轉(zhuǎn)換操作后便可實(shí)現(xiàn)次近鄰站點(diǎn)間的共享糾纏。在采用量子中繼后，就可以彌補(bǔ)可信中繼的弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息安全無懈可擊。不過，量子中繼技術(shù)難度非常大，目前還做不到實(shí)用化。

而本次段路明研究組研發(fā)的量子存儲(chǔ)器就有助于推進(jìn)量子中繼技術(shù)的實(shí)用化。

實(shí)現(xiàn)量子中繼實(shí)用化尚需時(shí)日

量子中繼實(shí)用化有兩個(gè)前提，一個(gè)是提高量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。另一個(gè)是量子態(tài)寫入和讀出的效率與存儲(chǔ)時(shí)間上的最優(yōu)化。

提高量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量很容易理解，比如段路明研究組本次就引入二維量子存儲(chǔ)陣列的方法大大提高了量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，將原子存儲(chǔ)單元的數(shù)目增加到225個(gè)，比國際原有紀(jì)錄提高了近20倍。

實(shí)驗(yàn)演示任意原子存儲(chǔ)單元與光子間的量子糾纏存儲(chǔ)，來源：清華新聞網(wǎng)

量子態(tài)寫入和讀出的效率指的是要存進(jìn)去一個(gè)狀態(tài)的時(shí)候，到底有多大的概率(把握)能一次性存進(jìn)去，讀出亦然。另外，對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的讀寫效率，存儲(chǔ)時(shí)間越長，能建立的中繼距離就越遠(yuǎn);對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的存儲(chǔ)時(shí)間，讀寫效率越高，能建立的中繼距離就越遠(yuǎn)。所以兩者配合的最優(yōu)非常關(guān)鍵，這和存儲(chǔ)態(tài)的數(shù)量關(guān)注點(diǎn)不一樣。

只有將量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量和量子態(tài)寫入和讀出的效率與存儲(chǔ)時(shí)間上的最優(yōu)都做到一定水準(zhǔn)，才能為量子中繼實(shí)用化掃平技術(shù)障礙。

對(duì)于量子態(tài)寫入和讀出的效率與存儲(chǔ)時(shí)間上的最優(yōu)化，目前的報(bào)道并沒有提及。因此，就目前公開資料顯示，段路明研究組的技術(shù)突破主要在于提高量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，在量子態(tài)寫入和讀出的效率上相對(duì)于以往的科研成果有多大優(yōu)勢我們無從得知。

不過，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步并非是一蹴而就的，而是大家你一磚，我一瓦，一起推動(dòng)，大家點(diǎn)滴的貢獻(xiàn)不斷積累沉淀，最終匯成劃時(shí)代的技術(shù)成就。