为什么构建远距离量子网络需要先固定量子存储器？

量子存储器用于存储光子的纠缠态。作为不同链路纠缠建立和纠缠交换过程的同步装置，量子中继器加速纠缠分发是关键。中国利用墨子卫星实现了1200公里的远距离纠缠分发，但量子存储器还没有推出。

日前，有媒体报道称，国外学者将一个量子比特的信息存储在晶体中20毫秒，为长距离量子网络的发展奠定了重要基础。

就像传统的电子计算机一样，未来量子信息技术的发展也离不开信息的存储和读取。那么，这个至关重要的量子存储器是如何存储量子信息的呢？量子信息的存储难在哪里？

比经典记忆更重要

记忆的功能是储存信息，并在需要时读出。信息存储是人类文明传承的重要手段，是现代信息技术的核心环节。随着人类历史的发展，信息存储的媒介也在不断变化。

人脑是最早的信息存储介质，使人类得以生存并不断进化。从语言到文字是人类文明进步的转折点。这种变化使得信息可以脱离人本身，以文字的形式保存和传递。人们已经使用了石雕、绳结、书籍、磁盘、光盘和其他形式的记忆。

现代数字信息处理以二进制计算机为基础，因此经典存储器都存储比特，即两种经典状态之一：0或1。比特的大量组合构成了我们需要的各种信息。经典内存包括电脑、手机内存、硬盘和随身u盘。

从经典信息时代到量子信息时代，量子存储器是必不可少的基础器件。与经典存储器相比，量子存储器可以存储量子态。

经典内存一般是以比特为单位的，目前的经典内存可以达到TB级别。经典存储器的一个存储单元只存储一位，存储器的容量实际上是经典存储单元的数量。由于量子相干的特性，量子存储器的一个存储单元一次可以存储N个量子比特，即N个模式。最近的研究表明，固态量子存储器的存储容量可以达到100个量子比特。这个容量远远大于地球上所有经典记忆的总和。

但由于量子信息不可复制和放大，量子存储器在量子信息中的地位比经典存储器在经典信息中的地位更重要。到目前为止，从事量子存储器研究的国际研究小组很多，主流的物理体系有冷原子、热原子和稀土离子掺杂晶体。目前量子存储器的各项独立指标都有不错的结果，但综合指标离量子中继的要求还有很大差距。

量子中继器纠缠的关键

量子网络是远距离量子通信和分布式量子计算的载体，可以基于量子纠缠建立。远程量子纠缠态可以支持量子信息的许多应用，包括量子密钥分发、量子计算机互联、分布式量子精密测量等。单光子是量子纠缠和量子信息的理想载体，但单光子在光纤网络中的传输面临指数损耗。单光子穿越100公里光纤的概率是百分之一，穿越500公里光纤的概率降低到百亿分之一。

由于不可避免的信道损耗，目前基于光纤的纠缠分布距离被限制在数百公里的量级。在经典通信中，这个问题可以通过中继放大器连续放大经典信号来解决。遗憾的是，由于量子不可克隆定理的限制，即未知的量子态无法精确复制，传统的中继放大器并不适合量子通信。远程量子纠缠分发已经成为量子信息领域的核心挑战之一。

这个问题的一个可能的解决方案是量子中继，它的基本思想是把一个大规模的网络分成几个小规模的网络。比如一个500公里的量子纠缠传输，可以分解成5个100公里的短程纠缠。在短程纠缠依次成功建立的情况下，可以通过纠缠交换建立长程纠缠。

这种方法面临的问题是，每次百公里纠缠的时间一般不同步。例如，第一段可以在0.05秒内建立，第二段可以在0.02秒内建立，第三段可以在0.1秒内建立。这就需要量子记忆同步的过程。每个节点的纠缠一旦成功建立，就会被存储。当所有节点成功建立后，存储器之间的纠缠交换将最终建立远程纠缠。因此，大规模量子网络要解决的核心问题是高性能量子存储器的物理实现。

具体来说，量子存储器用于存储光子的纠缠态。作为不同链路中纠缠建立和纠缠交换过程的同步装置，量子中继器是加速纠缠分发的关键。基本链路中使用的信道包括光纤和自由空间信道。量子光纤中继的整体结构与经典光纤通信相似，是实现量子网络目标最有前景的技术路线。量子中继虽然不能消除光子损耗，但可以将直接通过光纤传输的指数损耗转化为可容忍的多项式损耗，在长距离通信中会显示出显著的优势。然而，自由空间的信道损耗低于光纤。中国利用墨子卫星实现了1200公里的远距离纠缠分发，但量子存储器还没有推出。

随着量子信息技术的快速发展，未来量子通信卫星可以结合量子存储器，实现覆盖全球的高速量子通信。

中国科学家表现出色。

我们知道，开发远程量子通信系统的挑战是找到一种在不改变信号的情况下中继信号的方法，特别是创建一个基于量子存储器的量子中继器。

量子中继器包括基本链路的纠缠建立和后续的纠缠交换过程。由于纠缠交换过程的成功概率是由量子光学的基本原理决定的，而且一般很难提高，为了实现高速量子中继通信，基本链路的纠缠建立成功概率变得非常重要。

两个主要因素影响这个成功概率的提升。一个是量子纠缠源的发射概率，即一个纠缠光子发射和实际成功光子发射的概率。第二个是信道传输损耗和探测器损耗。光子发射后，经过短距离信道传输和探测过程。会吗

2021年6月，中国科学技术大学（以下简称中国科大）郭光灿院士团队给出了“中国科大”解决方案。他们首次实现基于吸收型存储器的量子中继基本链路，并展现了多模式量子中继的通信加速效果。这一成果登上了《自然》封面。

中国科大团队把量子光源划分为确定性量子光源和概率性量子光源。前者的发射概率原则上可达1，后者在实际使用时为了避免多光子噪声，保证纠缠保真度，发射概率一般控制在0.1以下。前文提到的两个制约因素中，第一个问题使用确定性光源即可解决，为了避免多光子发射事件，确定性光源一般要基于单量子系统实现，具体包括单原子、量子点、单个晶格缺陷等。解决第二个问题则需要引入与经典通信中类似的复用技术，即一次性存储多个光子，这要求基于原子系统的量子存储器。在基本链路的纠缠建立过程中，如果同时使用N个模式，则处于N个模式的光子只要有一个模式成功即可建立节点间的纠缠，可以大幅提高纠缠建立的成功概率并提升最终的纠缠分发的速率。

此前，有关量子存储器的研究主要聚焦于量子通信领域的应用，例如，基于多模式量子存储建立量子中继，从而构建远程的量子互联网，或基于超长寿命量子存储实现可移动的量子U盘。

我国科学家在量子存储器这一领域取得了一系列突破性成果。2021年4月，中国科大郭光灿院士团队把相干光存储时间德国研究人员创下的1分钟纪录提升至1小时，创造了新的世界纪录，这意味着量子U盘成为可能。2021年7月，清华大学段路明研究组首次在实验中借助对多谐振器系统的动态调控实现了对单光子水平微波脉冲的保相存储和读取，并利用此方法展示了对时分编码量子比特的按需存取。