日前，清華大學(xué)量子信息中心段路明研究組首次實現(xiàn)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(shù)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(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數(shù)量級的技術(shù)進(jìn)步而欣喜的同時，也要認(rèn)識到這只是量子中繼實用化的一小步，要真正實現(xiàn)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(wǎng)

量子存儲器技術(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、歐洲的多個研究組致力于在實驗室上實現(xiàn)該方案，取得了一系列重要進(jìn)展?！冬F(xiàn)代物理評論》(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，保持了兩百多個激光光路之間的相干性，實現(xiàn)了光子態(tài)與任意一對原子存儲單元間量子糾纏的存儲與讀取，并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(shù)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(xiàn)了12個存儲單元的量子存儲器。

有助于實現(xiàn)量子中繼實用化

那么，本次段路明研究組研發(fā)的量子存儲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，量子存儲器和所謂的量子存儲芯片不是一個概念，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，而對量子計算不是特別針對。段路明研究組研發(fā)的量子存儲器其實是偏向于量子通信領(lǐng)域，而且有助于實現(xiàn)量子中繼實用化。

在遠(yuǎn)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(yuǎn)實驗距離是300公里，而在商業(yè)使用中，傳輸距離肯定要比實驗距離打一定折扣的。而且經(jīng)典通信所采用的信號放大和中繼技術(shù)對此無濟于事，因而就必須采用新技術(shù)克服單光子信號在傳輸信道中的指數(shù)衰減問題。

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

可信中繼有點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通信網(wǎng)絡(luò)共有32個可信任中繼站，而且可以通過技術(shù)手段，把防御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干線的信息安全。這相對于以往的經(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)先在各相鄰站點間建立共享糾纏對，以量子存儲技術(shù)將糾纏對儲存。將量子糾纏對布置在各相鄰站點，應(yīng)用糾纏轉(zhuǎn)換操作后便可實現(xiàn)次近鄰站點間的共享糾纏。在采用量子中繼后，就可以彌補可信中繼的弱點，實現(xiàn)信息安全無懈可擊。不過，量子中繼技術(shù)難度非常大，目前還做不到實用化。

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

實現(xiàn)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(tài)寫入和讀出的效率與存儲時間上的最優(yōu)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(shù)目增加到225個，比國際原有紀(jì)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(wǎng)

量子態(tài)寫入和讀出的效率指的是要存進(jìn)去一個狀態(tài)的時候，到底有多大的概率(把握)能一次性存進(jìn)去，讀出亦然。另外，對應(yīng)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(yuǎn);對應(yīng)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(yuǎn)。所以兩者配合的最優(yōu)非常關(guān)鍵，這和存儲態(tài)的數(shù)量關(guān)注點不一樣。

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

對于量子態(tài)寫入和讀出的效率與存儲時間上的最優(yōu)化，目前的報道并沒有提及。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器的存儲容量，在量子態(tài)寫入和讀出的效率上相對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，大家點滴的貢獻(xiàn)不斷積累沉淀，最終匯成劃時代的技術(shù)成就。