搭建遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò) 為什么要先搞定量子存儲(chǔ)器

  ICC訊 量子存儲(chǔ)器用于儲(chǔ)存光子的糾纏態(tài)，作為不同鏈路內(nèi)糾纏建立以及糾纏交換過(guò)程的同步裝置，它是量子中繼器能夠?qū)崿F(xiàn)糾纏分發(fā)加速的關(guān)鍵。我國(guó)已利用墨子號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)1200公里的遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)，但尚未引入量子存儲(chǔ)器。

  日前，有媒體報(bào)道了國(guó)外學(xué)者把一個(gè)量子比特的信息存儲(chǔ)在晶體內(nèi)并保存長(zhǎng)達(dá)20毫秒的消息，為遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。

  就如傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)一樣，未來(lái)的量子信息技術(shù)的發(fā)展，同樣繞不開(kāi)信息的存儲(chǔ)和讀取。那么，這個(gè)至關(guān)重要的量子存儲(chǔ)器究竟是如何存儲(chǔ)量子信息的？量子信息的存儲(chǔ)又難在哪里呢？

  比經(jīng)典存儲(chǔ)器更重要

  存儲(chǔ)器的功能就是把信息存儲(chǔ)起來(lái)，直到需要用到的時(shí)候再讀出。信息的存儲(chǔ)是人類(lèi)文明傳遞的重要手段，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。伴隨著人類(lèi)歷史的發(fā)展，信息存儲(chǔ)的介質(zhì)也在不斷變化。

  人類(lèi)的大腦是信息存儲(chǔ)的最早介質(zhì)，它使得人類(lèi)能夠持續(xù)生存與進(jìn)化。從語(yǔ)言到文字是人類(lèi)文明進(jìn)步的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這一變化使得信息可以脫離人本身，以文字等形式保存并傳遞下去。人們先后使用過(guò)石頭雕刻、繩子打結(jié)、書(shū)本、磁盤(pán)、光盤(pán)等形式的存儲(chǔ)器。

  現(xiàn)代數(shù)字信息處理基于二進(jìn)制計(jì)算機(jī)，所以經(jīng)典的存儲(chǔ)器都是存儲(chǔ)比特的，即存儲(chǔ)兩種經(jīng)典狀態(tài)之一：0或者1。大量比特的組合構(gòu)成我們所需要的各類(lèi)信息。經(jīng)典存儲(chǔ)器包括電腦、手機(jī)內(nèi)存、硬盤(pán)以及便攜式U盤(pán)等。

  由經(jīng)典信息走向量子信息的時(shí)代，量子存儲(chǔ)器是必不可少的基礎(chǔ)器件。對(duì)比經(jīng)典存儲(chǔ)器，量子存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)量子狀態(tài)。

  經(jīng)典存儲(chǔ)器一般以比特為單位，現(xiàn)在的經(jīng)典存儲(chǔ)器可以達(dá)到TB量級(jí)。經(jīng)典存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)單元只存儲(chǔ)一個(gè)比特，存儲(chǔ)器的容量實(shí)際上就是經(jīng)典存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)。而由于量子相干性的特點(diǎn)，量子存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元可以一次性存儲(chǔ)N個(gè)量子比特，也就是N個(gè)模式。近期研究表明，固態(tài)量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量可達(dá)100個(gè)量子比特。這個(gè)容量已經(jīng)遠(yuǎn)大于地球上所有經(jīng)典存儲(chǔ)器之和。

  然而，由于量子信息不可復(fù)制且不可放大，量子存儲(chǔ)器在量子信息中的地位比經(jīng)典存儲(chǔ)器在經(jīng)典信息中的地位更加重要。截至目前，國(guó)際上有許多研究組從事量子存儲(chǔ)器的研究，比較主流的物理系統(tǒng)是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體。目前量子存儲(chǔ)器的各項(xiàng)獨(dú)立指標(biāo)都有比較好的結(jié)果，然而綜合指標(biāo)仍然距離量子中繼的要求相差較遠(yuǎn)。

  量子中繼器實(shí)現(xiàn)糾纏的關(guān)鍵

  量子網(wǎng)絡(luò)是長(zhǎng)程量子通信和分布式量子計(jì)算的載體，它可以基于量子糾纏建立起來(lái)。遠(yuǎn)程的量子糾纏態(tài)可以支持包括量子密鑰分發(fā)、量子計(jì)算機(jī)互聯(lián)、分布式量子精密測(cè)量等眾多量子信息的應(yīng)用。單個(gè)光子是量子糾纏、量子信息的理想載體，然而單個(gè)光子在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸面臨指數(shù)級(jí)的損耗，單光子穿越100千米光纖的幾率是百分之一，而穿越500千米光纖的幾率則降至100億分之一。

  由于這種不可避免的信道損耗，目前基于光纖的糾纏分發(fā)距離被限制在百千米量級(jí)。在經(jīng)典通信中，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)中繼放大器對(duì)經(jīng)典信號(hào)不斷放大來(lái)解決。不幸的是，由于量子不可克隆定理的限制，即未知的量子態(tài)不能被精確復(fù)制，傳統(tǒng)的中繼放大器不適用于量子通信。遠(yuǎn)程量子糾纏分發(fā)也就成為了量子信息領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)之一。

  對(duì)于這一難題，一個(gè)可能的解決方案是量子中繼，其基本思想是把大尺度網(wǎng)絡(luò)分割成多段小尺度網(wǎng)絡(luò)。比如500千米的量子糾纏傳輸可以分解為5段100千米的短程糾纏，在短程糾纏依次成功建立的條件下，再利用糾纏交換建立遠(yuǎn)程糾纏。

  這種方法面臨的問(wèn)題是，每個(gè)100千米的糾纏建立的時(shí)間一般不同步，比如第一段可能在0.05秒建立，第二段可能在0.02秒建立，第三段又可能在0.1秒建立。這就需要量子存儲(chǔ)器同步這個(gè)過(guò)程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的糾纏一旦成功建立則存儲(chǔ)起來(lái)，等到所有節(jié)點(diǎn)都成功建立時(shí)，存儲(chǔ)器之間進(jìn)行糾纏交換最終建立遠(yuǎn)程糾纏。所以大尺度量子網(wǎng)絡(luò)要解決的核心問(wèn)題，就是高性能量子存儲(chǔ)器的物理實(shí)現(xiàn)。

  具體來(lái)說(shuō)，量子存儲(chǔ)器用于儲(chǔ)存光子的糾纏態(tài)，作為不同鏈路內(nèi)糾纏建立以及糾纏交換過(guò)程的同步裝置，它是量子中繼器能夠?qū)崿F(xiàn)糾纏分發(fā)加速的關(guān)鍵。基本鏈路內(nèi)使用的信道包括光纖以及自由空間信道。光纖量子中繼的整體結(jié)構(gòu)和經(jīng)典光纖通信類(lèi)似，是最有希望達(dá)成量子網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)的技術(shù)路線。量子中繼并不能消除光子損耗，但可以把通過(guò)光纖直接傳輸?shù)闹笖?shù)損耗轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢匀萑痰亩囗?xiàng)式量級(jí)的損耗，這在遠(yuǎn)程通信中會(huì)展現(xiàn)顯著的優(yōu)勢(shì)。而自由空間信道損耗低于光纖，我國(guó)已利用墨子號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)1200公里的遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)，但尚未引入量子存儲(chǔ)器。

  隨著量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)量子通信衛(wèi)星可以結(jié)合量子存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的高速量子通信。

  中國(guó)科學(xué)家表現(xiàn)亮眼

  我們已經(jīng)知道，發(fā)展遠(yuǎn)程量子通信系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于找到一種在不改變信號(hào)的情況下重復(fù)信號(hào)的方法，特別是創(chuàng)建基于量子存儲(chǔ)器的量子中繼器。

  量子中繼器包括基本鏈路的糾纏建立和后續(xù)糾纏交換過(guò)程。由于糾纏交換過(guò)程的成功概率是由量子光學(xué)基本原理確定的，而且一般難以提升，為了實(shí)現(xiàn)高速的量子中繼通信，基本鏈路糾纏建立的成功概率就變得至關(guān)重要。

  兩個(gè)主要因素影響著這個(gè)成功概率的提升，一是量子糾纏源的發(fā)射概率，即一次糾纏光子發(fā)射，實(shí)際成功發(fā)射光子的概率。二是信道傳輸損耗以及探測(cè)器件損耗，光子發(fā)射后經(jīng)歷短程信道傳輸以及探測(cè)過(guò)程，會(huì)不可避免地引入損耗。

  2021年6月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)科大）郭光燦院士團(tuán)隊(duì)給出了“中國(guó)科大”解決方案。他們首次實(shí)現(xiàn)基于吸收型存儲(chǔ)器的量子中繼基本鏈路，并展現(xiàn)了多模式量子中繼的通信加速效果。這一成果登上了《自然》封面。

  中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)把量子光源劃分為確定性量子光源和概率性量子光源。前者的發(fā)射概率原則上可達(dá)1，后者在實(shí)際使用時(shí)為了避免多光子噪聲，保證糾纏保真度，發(fā)射概率一般控制在0.1以下。前文提到的兩個(gè)制約因素中，第一個(gè)問(wèn)題使用確定性光源即可解決，為了避免多光子發(fā)射事件，確定性光源一般要基于單量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體包括單原子、量子點(diǎn)、單個(gè)晶格缺陷等。解決第二個(gè)問(wèn)題則需要引入與經(jīng)典通信中類(lèi)似的復(fù)用技術(shù)，即一次性存儲(chǔ)多個(gè)光子，這要求基于原子系統(tǒng)的量子存儲(chǔ)器。在基本鏈路的糾纏建立過(guò)程中，如果同時(shí)使用N個(gè)模式，則處于N個(gè)模式的光子只要有一個(gè)模式成功即可建立節(jié)點(diǎn)間的糾纏，可以大幅提高糾纏建立的成功概率并提升最終的糾纏分發(fā)的速率。

  此前，有關(guān)量子存儲(chǔ)器的研究主要聚焦于量子通信領(lǐng)域的應(yīng)用，例如，基于多模式量子存儲(chǔ)建立量子中繼，從而構(gòu)建遠(yuǎn)程的量子互聯(lián)網(wǎng)，或基于超長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)的量子U盤(pán)。

  我國(guó)科學(xué)家在量子存儲(chǔ)器這一領(lǐng)域取得了一系列突破性成果。2021年4月，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)把相干光存儲(chǔ)時(shí)間德國(guó)研究人員創(chuàng)下的1分鐘紀(jì)錄提升至1小時(shí)，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這意味著量子U盤(pán)成為可能。2021年7月，清華大學(xué)段路明研究組首次在實(shí)驗(yàn)中借助對(duì)多諧振器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了對(duì)單光子水平微波脈沖的保相存儲(chǔ)和讀取，并利用此方法展示了對(duì)時(shí)分編碼量子比特的按需存取。