清华量子存储器刷新世界纪录 到底有什么用

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【本文转自微信公众号“科工力量”（ID：guanchacaijing）】

日前，清华大学量子信息中心段路明研究组首次实现具有225个存储单元的原子量子存储器，将原有量子存储器存储容量的国际记录（12个）提高了一个数量级。该成果的研究论文《225个存储单元的量子存储器的实验实现》于5月8日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。

本次取得的技术突破要辩证来看，在看到提高国际记录一个数量级的技术进步而欣喜的同时，也要认识到这只是量子中继实用化的一小步，要真正实现量子中继实用化还有很长的路要走。

原子量子存储器阵列实验装置示意图，来源：清华新闻网

量子存储器技术突破是怎么回事

在2001年，段路明与合作者提出DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)方案，利用原子量子存储器和单光子信道的结合以抑制衰减。该方案在量子信息领域引起很大反响，美国、中国、欧洲的多个研究组致力于在实验室上实现该方案，取得了一系列重要进展。《现代物理评论》（Review of Modern Physics）和《自然》曾发表专文介绍相关进展。

段路明

本次发表于Nature Communications杂志的研究论文的内容是利用二维可编程光路，保持了两百多个激光光路之间的相干性，实现了光子态与任意一对原子存储单元间量子纠缠的存储与读取，并证明各量子存储单元可以分别独立操作，避免了相互干扰。

段路明研究组引入二维量子存储阵列的方法大大提高了量子存储器的存储容量，将原子存储单元的数目增加到225个，而在此之前，美国研究组通过空间分波法只实现了12个存储单元的量子存储器。

有助于实现量子中继实用化

那么，本次段路明研究组研发的量子存储器有什么具体用途呢？

根据论文的内容来看，段路明研究组的技术成果，量子存储器和所谓的量子存储芯片不是一个概念，应该是面向量子中继的，未来可能用于远距离量子通信，而对量子计算不是特别针对。段路明研究组研发的量子存储器其实是偏向于量子通信领域，而且有助于实现量子中继实用化。

在远距离量子通信中，单个光子在光纤中会被吸收和散射，所以传输距离是受限制的——目前量子密钥分配最远实验距离是300公里，而在商业使用中，传输距离肯定要比实验距离打一定折扣的。而且经典通信所采用的信号放大和中继技术对此无济于事，因而就必须采用新技术克服单光子信号在传输信道中的指数衰减问题。

这时候就必须使用中继站，在中继上出现两个选择，一个是量子中继和可信中继。

可信中继有点类似于量子密钥接力赛，密钥在可信任中继站之间接力递送。不过这样一来，密钥就要“落地”到中继站，如果中继站被敌方特工控制，那么，量子通信就有遭到窃听的可能性。因此，在采用可信中继实现远距离量子通信的情况下，中继站必须是可信的，可信中继的名称也由此而来。

虽然存在这种瑕疵，但瑕不掩瑜，相对于经典通信的往往处处设防，而处处设防往往导致防御力量被削弱，因而导致容易被攻破；使用可信中继的远距离量子通信则变为集中优势兵力重点设防。

举例来说，全长为两千公里的京沪量子通信干线整个通信网络共有32个可信任中继站，而且可以通过技术手段，把防御重点放在几个重点站点，换言之，只要坚守重点站点就能保障京沪量子通信干线的信息安全。这相对于以往的经典通信在安全性上有非常大的优势。

另一种中继是量子中继。量子中继以量子纠缠分发技术先在各相邻站点间建立共享纠缠对，以量子存储技术将纠缠对储存。将量子纠缠对布置在各相邻站点，应用纠缠转换操作后便可实现次近邻站点间的共享纠缠。在采用量子中继后，就可以弥补可信中继的弱点，实现信息安全无懈可击。不过，量子中继技术难度非常大，目前还做不到实用化。

而本次段路明研究组研发的量子存储器就有助于推进量子中继技术的实用化。

实现量子中继实用化尚需时日

量子中继实用化有两个前提，一个是提高量子存储器的存储容量。另一个是量子态写入和读出的效率与存储时间上的最优化。

提高量子存储器的存储容量很容易理解，比如段路明研究组本次就引入二维量子存储阵列的方法大大提高了量子存储器的存储容量，将原子存储单元的数目增加到225个，比国际原有纪录提高了近20倍。

实验演示任意原子存储单元与光子间的量子纠缠存储，来源：清华新闻网

量子态写入和读出的效率指的是要存进去一个状态的时候，到底有多大的概率（把握）能一次性存进去，读出亦然。另外，对应一个固定的读写效率，存储时间越长，能建立的中继距离就越远；对应一个固定的存储时间，读写效率越高，能建立的中继距离就越远。所以两者配合的最优非常关键，这和存储态的数量关注点不一样。

只有将量子存储器的存储容量和量子态写入和读出的效率与存储时间上的最优都做到一定水准，才能为量子中继实用化扫平技术障碍。

对于量子态写入和读出的效率与存储时间上的最优化，目前的报道并没有提及。因此，就目前公开资料显示，段路明研究组的技术突破主要在于提高量子存储器的存储容量，在量子态写入和读出的效率上相对于以往的科研成果有多大优势我们无从得知。

不过，科学技术的进步并非是一蹴而就的，而是大家你一砖，我一瓦，一起推动，大家点滴的贡献不断积累沉淀，最终汇成划时代的技术成就。