「留光」1小时：中科大让我们离「量子U盘」又近了一步

机器之心报道

编辑：张倩、小舟

「简单来说，我们就是用一块晶体把光『存起来』，一个小时后取出来发现，它的相位、偏振等状态信息还保存得很好。」

存储器的功能就是把信息存储起来，直到需要用到的时候再读出。在量子通信领域，我们也需要一种存储器。但这种存储器比较特殊，因为它需要存储的是光。

科学家管这种存储器叫「量子U盘」。

为什么需要「量子U盘」？在量子通信中，单个光子在光纤网络中传输面临指数级的损耗：穿越100千米光纤的几率是百分之一，穿越500千米光纤的几率降至100亿分之一。这使得远程量子通信难以实现。因此，科学家们就想了一种方法：把光子保存起来，通过运输U盘来传输量子信息。

有了量子U盘，我们就可以把单个光子存进去，并且在存储寿命范围内，利用汽车、高铁、飞机等运输工具把它运输到任意指定地点。

但这种做法有很大的难度。光在真空中的传播速度大约是30万公里/秒，要造一个「量子U盘」，我们就需要让光「慢下来」。考虑到飞机和高铁等运输工具的速度，量子U盘的光存储时间需要达到小时量级才有实用价值。

近日，中国科学技术大学的李传锋、周宗权研究组（郭光灿院士团队）在这一方面取得突破，将光存储时间提升至1小时，大幅刷新了8年前德国团队创造的1分钟的世界纪录，向实现量子U盘迈出重要一步。相关研究登上了《自然·通讯》期刊。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y

论文第一作者是中科院量子信息重点实验室博士研究生马钰。审稿人认为，「该工作是一项巨大的成就」。

「简单来说，我们就是用一块晶体把光『存起来』，一个小时后取出来发现，它的相位、偏振等状态信息还保存得很好。」李传锋说。

光的状态信息很容易消失，这个研究大大延长了保存的时间，也因此有望催生一系列创新应用。比如，将两台相距较远的望远镜捕捉到的光，保存后放到一起进行「干涉」处理，可以突破单个望远镜的尺寸局限，大幅提升观测的精度。

量子U盘对构建全球量子通信网具有重要意义。李传锋介绍，为实现量子U盘，不仅要高精度的「留住光」，还要提升信噪比，这也是他们下一步努力的方向。

量子U盘有什么用？

现代数字信息处理是基于二进制计算机的，所以经典的存储器都是存储比特的，也就是存储两种经典状态之一：0或者1。大量比特的组合构成我们所需要的信息。计算机内存、硬盘、传统U盘都属于经典的存储器。

由经典信息走向量子信息的时代，量子存储器是必不可少的基础器件。对比经典存储器的功能，量子存储器应当是可以存储量子状态的，也就是|0⟩和|1⟩的任意量子叠加状态。量子存储器在量子信息科学中具有许多重要功能，包括建立大尺度量子网络、构建量子计算机等。

量子存储器的寿命一般在秒量级及以下，存储器都是固定在某个地点配合光子来实现诸多功能。2015年，科学家发现稀土离子掺杂晶体的自旋态量子相干寿命长达6小时。这是量子系统相干寿命的最高水平，并且有望进一步提升至几天的量级。该结果对量子信息科学发展具有深远的影响。

一旦有了量子U盘，我们就可以把单个光子存进去，并且在存储寿命范围内利用运输工具把它运输到任意指定地点。这是一种革命性的量子通信方案，因为它原则上可以实现对量子纠缠物体的经典搬运。量子通信将不再依赖光纤布网，任何经典交通工具能到达的地方，量子U盘携带量子纠缠就能到达。它将是一种高灵活性且相对低成本的点对点量子通信方式，有望在身份认证、签名、量子密码、量子信息共享等各领域取得应用。

如何「留光」一小时

将相干光的存储时间尽可能延长是制造量子U盘的关键。关于稀土离子掺杂晶体的发现让人们看到了长寿命光存储的希望，但由于对该材料的能级结构缺乏了解，科学家一直未能实现长寿命光存储。

李传锋、周宗权研究组长期致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究。研究组2015年自制光学拉曼外差探测核磁共振谱仪，专门用于稀土离子掺杂晶体的能级结构分析。依托该仪器，研究组精确刻画了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量，并在理论上预测了ZEFOZ磁场下的能级结构[Journal of Luminescence 802, 32 (2018)]。

近期，课题组结合理论预言首次实验测定掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能级结构。在此基础上，研究组结合了原子频率梳（AFC）量子存储方案以及ZEFOZ技术，成功实现了光信号的长寿命存储。

存储方案示意图，信号光场（probe）被梳状的原子吸收谱吸收，并被控制光场（control）存储为自旋激发，在射频（RF）场的操控下延长存储时间，最终读取为光信号。

实验中，光信号首先被AFC吸收成为铕离子系综的光学激发，接着被转移为自旋激发，经历一系列自旋保护脉冲操作后，最终被读取为光信号，总存储时间长达1小时。通过加载相位编码，实验证实在经历了1个小时存储后，光的相位存储保真度高达96.4 ± 2.5%。

读出光脉冲信号强度与存储时间的关系。

这些结果表明该装置具有极强的相干光存储能力以及用于量子态存储的潜力。

2020中国创新指数排名全球第14，量子科技成就突出

《2020年全球创新指数（GII）报告》显示，在全球131个经济体中，中国保持在全球创新指数榜单第14名。近年来，中国的这一排名迅速攀升，其中量子科技领域的创新成就尤为突出。

2017年8月，由我国完全自主研制的世界上第一颗量子科学实验卫星「墨子号」在国际上首次成功实现了千公里级的星地双向量子通信，标志着中国量子通信技术达到全面领先地位。2020年12月，中国量子计算原型机「 九章 」问世，使我国成为全球第二个实现「量子优越性」的国家。

2020年8月，郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得了重要进展，该团队李传锋、柳必恒研究组与奥地利Marcus Huber教授研究组合作，首次实现了高保真度32维量子纠缠态。此次郭光灿院士团队在光量子存储领域取得的突破将是我国量子科技领域又一重要进展。

参考链接：
https://physics.ustc.edu.cn/2020/0902/c3542a447972/page.htm
https://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1698013882347816988&wfr=spider&for=pc
http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/764

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