清華量子存儲器刷新世界紀錄 到底有什麼用

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【本文轉自微信公眾號“科工力量”（ID：guanchacaijing）】

日前，清華大學量子信息中心段路明研究組首次實現具有225個存儲單元的原子量子存儲器，將原有量子存儲器存儲容量的國際記錄（12個）提高了一個數量級。該成果的研究論文《225個存儲單元的量子存儲器的實驗實現》於5月8日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）。

本次取得的技術突破要辯證來看，在看到提高國際記錄一個數量級的技術進步而欣喜的同時，也要認識到這只是量子中繼實用化的一小步，要真正實現量子中繼實用化還有很長的路要走。

原子量子存儲器陣列實驗裝置示意圖，來源：清華新聞網

量子存儲器技術突破是怎麼回事

在2001年，段路明與合作者提出DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)方案，利用原子量子存儲器和單光子信道的結合以抑制衰減。該方案在量子信息領域引起很大反響，美國、中國、歐洲的多個研究組致力於在實驗室上實現該方案，取得了一系列重要進展。《現代物理評論》（Review of Modern Physics）和《自然》曾發表專文介紹相關進展。

段路明

本次發表於Nature Communications雜誌的研究論文的內容是利用二維可編程光路，保持了兩百多個激光光路之間的相乾性，實現了光子態與任意一對原子存儲單元間量子糾纏的存儲與讀取，並證明各量子存儲單元可以分別獨立操作，避免了相互干擾。

段路明研究組引入二維量子存儲陣列的方法大大提高了量子存儲器的存儲容量，將原子存儲單元的數目增加到225個，而在此之前，美國研究組通過空間分波法只實現了12個存儲單元的量子存儲器。

有助於實現量子中繼實用化

那麼，本次段路明研究組研發的量子存儲器有什麼具體用途呢？

根據論文的內容來看，段路明研究組的技術成果，量子存儲器和所謂的量子存儲芯片不是一個概念，應該是面向量子中繼的，未來可能用於遠距離量子通信，而對量子計算不是特別針對。段路明研究組研發的量子存儲器其實是偏向於量子通信領域，而且有助於實現量子中繼實用化。

在遠距離量子通信中，單個光子在光纖中會被吸收和散射，所以傳輸距離是受限制的——目前量子密鑰分配最遠實驗距離是300公里，而在商業使用中，傳輸距離肯定要比實驗距離打一定折扣的。而且經典通信所採用的信號放大和中繼技術對此無濟於事，因而就必須採用新技術克服單光子信號在傳輸信道中的指數衰減問題。

這時候就必須使用中繼站，在中繼上出現兩個選擇，一個是量子中繼和可信中繼。

可信中繼有點類似於量子密鑰接力賽，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，那麼，量子通信就有遭到竊聽的可能性。因此，在採用可信中繼實現遠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，相對於經典通信的往往處處設防，而處處設防往往導致防禦力量被削弱，因而導致容易被攻破；使用可信中繼的遠距離量子通信則變為集中優勢兵力重點設防。

舉例來說，全長為兩千公里的京滬量子通信幹線整個通信網絡共有32個可信任中繼站，而且可以通過技術手段，把防禦重點放在幾個重點站點，換言之，只要堅守重點站點就能保障京滬量子通信幹線的信息安全。這相對於以往的經典通信在安全性上有非常大的優勢。

另一種中繼是量子中繼。量子中繼以量子糾纏分發技術先在各相鄰站點間建立共享糾纏對，以量子存儲技術將糾纏對儲存。將量子糾纏對布置在各相鄰站點，應用糾纏轉換操作後便可實現次近鄰站點間的共享糾纏。在採用量子中繼後，就可以彌補可信中繼的弱點，實現信息安全無懈可擊。不過，量子中繼技術難度非常大，目前還做不到實用化。

而本次段路明研究組研發的量子存儲器就有助於推進量子中繼技術的實用化。

實現量子中繼實用化尚需時日

量子中繼實用化有兩個前提，一個是提高量子存儲器的存儲容量。另一個是量子態寫入和讀出的效率與存儲時間上的最優化。

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

實驗演示任意原子存儲單元與光子間的量子糾纏存儲，來源：清華新聞網

量子態寫入和讀出的效率指的是要存進去一個狀態的時候，到底有多大的概率（把握）能一次性存進去，讀出亦然。另外，對應一個固定的讀寫效率，存儲時間越長，能建立的中繼距離就越遠；對應一個固定的存儲時間，讀寫效率越高，能建立的中繼距離就越遠。所以兩者配合的最優非常關鍵，這和存儲態的數量關注點不一樣。

只有將量子存儲器的存儲容量和量子態寫入和讀出的效率與存儲時間上的最優都做到一定水準，才能為量子中繼實用化掃平技術障礙。

對於量子態寫入和讀出的效率與存儲時間上的最優化，目前的報道並沒有提及。因此，就目前公開資料顯示，段路明研究組的技術突破主要在於提高量子存儲器的存儲容量，在量子態寫入和讀出的效率上相對於以往的科研成果有多大優勢我們無從得知。

不過，科學技術的進步並非是一蹴而就的，而是大家你一磚，我一瓦，一起推動，大家點滴的貢獻不斷積累沉澱，最終匯成劃時代的技術成就。