量子存儲器地位舉足輕重 具有哪些功能？

　　存儲器的功能就是把信息存儲起來(lái)，直到需要用到的時(shí)候再讀出。信息的存儲是人類(lèi)文明傳遞的重要手段，也是現代信息技術(shù)的一個(gè)核心環(huán)節。伴隨著(zhù)人類(lèi)歷史的發(fā)展，信息存儲的介質(zhì)也在不斷變化。語(yǔ)言是人類(lèi)最初的交流方式，大腦是信息存儲的最早介質(zhì)。它使得人類(lèi)能夠持續生存與進(jìn)化。從語(yǔ)言到文字是人類(lèi)文明進(jìn)步的一個(gè)轉折點(diǎn)，信息可以脫離人本身以文字等形式保存起來(lái)并傳遞下去。人們先后使用過(guò)石頭雕刻、繩子打結、書(shū)本、磁盤(pán)、光盤(pán)等各種形式的存儲器。

　　電腦硬盤(pán)

　　現代數字信息處理是基于二進(jìn)制計算機的，所以經(jīng)典的存儲器都是存儲比特的，也就是存儲兩種經(jīng)典狀態(tài)之一：0或者1。大量比特的組合構成我們所需要的信息。經(jīng)典存儲器隨處可見(jiàn)，包括電腦、手機內的內存、硬盤(pán)，以及便攜式U盤(pán)等。

　　便攜式U盤(pán)

　　由經(jīng)典信息走向量子信息的時(shí)代，量子存儲器是必不可少的基礎器件。對比經(jīng)典存儲器的功能，量子存儲器應當是可以存儲量子狀態(tài)的，也就是和任意量子疊加狀態(tài)。

　　量子存儲器在量子信息科學(xué)中具有許多重要的功能：

　　(1)建立大尺度量子網(wǎng)絡(luò )。

　　量子網(wǎng)絡(luò )是長(cháng)程量子通信和分布式量子計算的載體，它可以基于量子糾纏建立起來(lái)。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 )中傳輸面臨指數級的損耗，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。一個(gè)典型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五段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程糾纏。這里的問(wèn)題是，每個(gè)100千米的糾纏建立的時(shí)間一般是不同步的，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，等等。這就需要量子存儲器去同步這個(gè)過(guò)程，每個(gè)節點(diǎn)的糾纏一旦成功建立則存儲起來(lái)，等到所有節點(diǎn)都成功建立時(shí)，存儲器之間進(jìn)行糾纏交換最終建立遠程糾纏。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器的物理實(shí)現。

　　量子網(wǎng)絡(luò )

　　(2)構建量子計算機。

　　和經(jīng)典計算機一樣，通用量子計算機也需要量子存儲器(內存)實(shí)現復雜的計算功能。依據具體計算芯片的不同，該存儲器要存儲相應的量子信息載體。以線(xiàn)性光學(xué)量子計算為例，多光子是一種基本的計算資源，可是直接產(chǎn)生多光子非常困難：某時(shí)刻獲得一個(gè)光子的幾率是P，則同時(shí)獲得N個(gè)光子的的幾率是P的N次方。目前P值大約10%，故無(wú)法產(chǎn)生幾十個(gè)光子的糾纏態(tài)。利用量子存儲器可以把這種低效率的光子源轉變?yōu)榇_定性(即P接近100%)的光子源。比如存儲器的壽命是產(chǎn)生光子所需要一次操作時(shí)間的100倍，那么就可以在存儲器壽命范圍內，做最大100次重復嘗試發(fā)射光子直到成功，從而把一個(gè)P=1%幾率的光子源轉變?yōu)榇_定性光子源，并進(jìn)一步獲得多光子源。

　　(3)實(shí)現量子U盤(pán)。

　　以上提到的應用中量子存儲器的壽命一般在秒量級及以下，存儲器都是固定在某個(gè)地點(diǎn)配合光子來(lái)實(shí)現諸多功能。2015年，科學(xué)家發(fā)現稀土離子摻雜晶體的自旋態(tài)量子相干壽命長(cháng)達6小時(shí)。這是量子系統相干壽命的最高水平，并且有望進(jìn)一步提升至幾天的量級。該結果對量子信息科學(xué)發(fā)展具有深遠的影響。

　　比如我們可以把單個(gè)光子存儲進(jìn)存儲器中，并且在存儲壽命范圍內，利用汽車(chē)、高鐵、飛機等運輸工具把存儲器運輸到任意指定地點(diǎn)，這就實(shí)現了量子U盤(pán)的功能。這是一種革命性的量子通信方案，因為它原則上可以實(shí)現對量子糾纏物體的經(jīng)典搬運。量子通信將不再依賴(lài)光纖布網(wǎng)，任何經(jīng)典交通工具能到達的地方，量子U盤(pán)攜帶量子糾纏就能到達。它將是一種高靈活性且相對低成本的點(diǎn)對點(diǎn)量子通信方式，有望在身份認證、簽名、量子密碼、量子信息共享等各領(lǐng)域取得應用。

　　值得一提的是量子存儲器的容量問(wèn)題，經(jīng)典存儲器一般以比特為單位，現在的經(jīng)典存儲器可以達到TB(2的40次方)的量級。經(jīng)典存儲器一個(gè)存儲單元只存儲一個(gè)比特，所以存儲器的容量實(shí)際上就是經(jīng)典存儲單元的個(gè)數。量子存儲器由于量子相干性的特點(diǎn)，它的一個(gè)存儲單元可以一次性存儲N個(gè)量子比特，也就是N個(gè)模式。近期研究表明固態(tài)量子存儲器的存儲容量可達100個(gè)量子比特。這個(gè)容量已經(jīng)遠大于地球上所有經(jīng)典存儲器之和。

　　量子存儲器

　　綜合來(lái)看，由于量子信息不可復制且不可放大，量子存儲器在量子信息中的地位比經(jīng)典存儲器在經(jīng)典信息中的地位更加重要。國際上有許多研究組在從事量子存儲器的研究，比較主流的物理系統是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體。目前量子存儲器的各項獨立指標都有比較好的結果，然而綜合指標仍然距離量子中繼的要求相差較遠。量子計算需求的量子存儲器綜合指標相對低一些，但這種存儲器的實(shí)際應用需要伴隨量子計算研究的突破。

　　量子U盤(pán)研究當前面臨的主要挑戰是如何把單個(gè)光子高效率地存儲進(jìn)長(cháng)壽命的自旋態(tài)中以及提高實(shí)際系統運輸中的抗環(huán)境噪聲能力。伴隨以上研究的逐步推進(jìn)，量子U盤(pán)有望率先進(jìn)入實(shí)用環(huán)節。