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近日，我國在量子存儲領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)研究組李傳鋒、周宗權(quán)首次研制出“按需式讀取”的可集成固態(tài)量子存儲器，存儲保真度達(dá)到99.3%±0.2%，該成果于12月28日發(fā)布在國際知名期刊《物理評論快報(bào)》上，這對于實(shí)現(xiàn)大容量量子存儲、構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)意義重大。

超級安全的量子網(wǎng)絡(luò)

量子存儲器的一個(gè)重要作用就是構(gòu)建大尺度量子網(wǎng)絡(luò)。

何為量子網(wǎng)絡(luò)？量子網(wǎng)絡(luò)是指在多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間，利用量子密鑰分發(fā)進(jìn)行安全通信的網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)間的量子密鑰可以對傳統(tǒng)的語音、圖像等通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，旨在解決由光線有線建立的互聯(lián)網(wǎng)所承載的數(shù)據(jù)容易被竊取的問題。

早在幾年前，曾經(jīng)為美國國家安全局工作的Edward Snowden就向外界展示了情報(bào)部門監(jiān)控互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的方法，間諜可以通過接入光纖有線網(wǎng)，從而監(jiān)控大量信息。最初這一事件激勵了量子科學(xué)在保密方面的研究，即量子網(wǎng)絡(luò)。

之所以能夠?qū)崿F(xiàn)安全通信，是因?yàn)樵诹孔泳W(wǎng)絡(luò)中對量子體的任何測量行為都是對量子體的一次修改，所以任何監(jiān)測量子信息的行為都會留下痕跡，被量子信息的接受者檢測到。這是量子糾纏原理的體現(xiàn)，如果兩個(gè)位置之間共享一個(gè)糾纏的粒子對，那么無論這兩個(gè)位置相距多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的量子狀態(tài)發(fā)生改變，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會隨之發(fā)生改變。

正是因?yàn)榱孔泳W(wǎng)絡(luò)的超級安全性，全世界都在積極推進(jìn)量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，并有些許進(jìn)展，其中中國在量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中處于表現(xiàn)出色，出于領(lǐng)先地位。

2014年，中國研發(fā)的遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)展至200公里，刷新記錄。

2016年，中國發(fā)射全世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

2017年，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”開通，并與“墨子號”量子衛(wèi)星結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人類首次洲際距離且天地鏈路的量子保密通信。 

國際上首次實(shí)現(xiàn)按需式讀取

和經(jīng)典的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一樣，量子網(wǎng)絡(luò)也需要量子存儲器來存儲量子狀態(tài)，尤其是在量子網(wǎng)絡(luò)中需要靠單光子來充當(dāng)理想載體，而單光子在光纖網(wǎng)絡(luò)中的傳輸面臨指數(shù)級損耗，就需要靠量子中繼和量子存儲器來降低損耗。

具體的方法是，先將大尺度網(wǎng)絡(luò)分割成多段小尺度網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)短程糾纏成功建立時(shí)，再利用糾纏交換建立遠(yuǎn)程糾纏，不過由于每個(gè)短程糾纏的建立時(shí)間不同步，就還需要量子存儲器來同步這一過程。先將短程糾纏存儲起來，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)建立成功之后，再在存儲器之間進(jìn)行糾纏交換。因此量子存儲器是構(gòu)建大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件。

此次中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)研究組李傳鋒、周宗權(quán)首次研制出“按需式讀取”的可集成固態(tài)量子存儲器，突破點(diǎn)在于“按需式讀取”，指的是光子寫入存儲器之后可以根據(jù)需求決定讀出的時(shí)間。這是國際上首次實(shí)現(xiàn)按需式讀取的可集成固態(tài)量子存儲器。

根據(jù)央廣網(wǎng)的報(bào)道，為了實(shí)現(xiàn)按需式讀取，該研究組采用一種改進(jìn)的量子存儲方案，即電場調(diào)制的原子頻率梳方案，通過引入兩個(gè)電脈沖，利用斯塔克效應(yīng)實(shí)時(shí)操控稀土離子的演化，從而控制存儲器的讀出時(shí)間。

除了建立大尺度的量子網(wǎng)絡(luò)之外，量子存儲器還有另外兩個(gè)重要功能，一是充當(dāng)存儲量子信息的載體用于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)，二是實(shí)現(xiàn)量子U盤這一高靈活性、低成本的點(diǎn)對點(diǎn)的量子通信方式。