光子是未來量子網(wǎng)絡(luò)信息傳遞的天然載體，然而由于光子在光纖中傳輸損耗與傳輸距離呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，目前量子通信和距離被限制在三百公里左右。儲(chǔ)存器的功能就是將信息儲(chǔ)存起來，直到有用的時(shí)候再將信息讀出。那是否擁有一種儲(chǔ)存器，能夠儲(chǔ)存光子的糾纏態(tài)，讓量子通信和距離被延續(xù)得更長(zhǎng)呢？

量子儲(chǔ)存器是一種可以將量子態(tài)儲(chǔ)存起來，并且過一段時(shí)間還可以將存儲(chǔ)的量子態(tài)讀取出來的器件，是量子中繼的核心器件。經(jīng)典儲(chǔ)存器一個(gè)儲(chǔ)存單位往往只能儲(chǔ)存一個(gè)比特，而量子儲(chǔ)存器的一個(gè)存儲(chǔ)單位可以一次性存儲(chǔ)N個(gè)量子比特。量子儲(chǔ)存器是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心部件，實(shí)用化量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成依賴于高性能量子儲(chǔ)存器的物理實(shí)現(xiàn)。近二十年來，人們逐漸嘗試著將承載著量子信息的單個(gè)光子也存儲(chǔ)起來，利用存儲(chǔ)器進(jìn)行多光子同步、量子計(jì)算以及遠(yuǎn)距離量子通信。

量子網(wǎng)絡(luò)是指將諸多位于不同地點(diǎn)的量子處理器連接形成一個(gè)可以傳輸量子態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，它能夠提供許多革命性的功能，包括任意遠(yuǎn)距離的安全通信、分布式量子計(jì)算、量子密鑰分發(fā)、量子計(jì)算機(jī)互聯(lián)等眾多量子信息的應(yīng)用。而實(shí)現(xiàn)它的基礎(chǔ)單元就是兩個(gè)遠(yuǎn)距離的量子儲(chǔ)存器之間的糾纏。

但是在糾纏過程中必然會(huì)存在著信道損耗，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。目前基于光纖的糾纏分發(fā)距離被限制在百千米量級(jí)。盡管這一問題可以通過中繼放大器對(duì)經(jīng)典信號(hào)不斷放大來解決，但由于未知的量子態(tài)不能被精確復(fù)制，傳統(tǒng)的中繼放大器也并非能夠適用于量子通信。遠(yuǎn)程量子糾纏分發(fā)也變成為了量子信息領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)之一。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)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。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，這種突破性的存控制技術(shù)所制成的存儲(chǔ)裝置，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，并且能夠存儲(chǔ)一個(gè)小時(shí)左右的量子比特，還會(huì)在計(jì)算過程中更新量子信息。

長(zhǎng)壽命量子儲(chǔ)存的不止可以用于長(zhǎng)程的量子通信，未來還可能研制出類比于經(jīng)典U盤的量子U盤。這種革命性的基于超長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)的量子U盤，也是一種遠(yuǎn)程量子通信的解決方案，在原則上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子糾纏物體的經(jīng)典搬運(yùn)。量子通信將不再依賴光纖布網(wǎng)，只要讓量子U盤攜帶量子糾纏，利用任何交通工具就能到達(dá)任何地方。它將會(huì)是一種高靈活性且相對(duì)低成本的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信方式，甚至有望在身份認(rèn)證、簽名、量子密碼、量子信息共享等各領(lǐng)域取得應(yīng)用。

量子儲(chǔ)存器不僅僅能夠服務(wù)于可以預(yù)見的應(yīng)用，其低噪音以及量子特性還能夠?yàn)榛A(chǔ)物理提供新的可能。總之，量子信息研究一方面給人們提供了更加強(qiáng)大的信息處理工具，另一方面也在促使人們回過頭來重新研究量子物理的基本問題，在不斷對(duì)量子信息的研究中，任何突破都將徹底改變?nèi)祟愇磥淼纳睢２⑶译S著量子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我們期待著，未來量子通信衛(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。

(資料參考來源：科技日?qǐng)?bào)、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、知網(wǎng))

關(guān)鍵詞： 量子糾纏 遠(yuǎn)距離的