量子存儲(chǔ)器地位舉足輕重 具有哪些功能？

　　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)。伴隨著人類歷史的發(fā)展，信息存儲(chǔ)的介質(zhì)也在不斷變化。語(yǔ)言是人類最初的交流方式，大腦是信息存儲(chǔ)的最早介質(zhì)。它使得人類能夠持續(xù)生存與進(jìn)化。從語(yǔ)言到文字是人類文明進(jìn)步的一個(gè)轉(zhuǎn)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(jié)、書本、磁盤、光盤等各種形式的存儲(chǔ)器。

　　電腦硬盤

　　現(xiàn)代數(shù)字信息處理是基于二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的，所以經(jīng)典的存儲(chǔ)器都是存儲(chǔ)比特的，也就是存儲(chǔ)兩種經(jīng)典狀態(tài)之一：0或者1。大量比特的組合構(gòu)成我們所需要的信息。經(jīng)典存儲(chǔ)器隨處可見(jiàn)，包括電腦、手機(jī)內(nèi)的內(nèi)存、硬盤，以及便攜式U盤等。

　　便攜式U盤

　　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)器的功能，量子存儲(chǔ)器應(yīng)當(dāng)是可以存儲(chǔ)量子狀態(tài)的，也就是和任意量子疊加狀態(tài)。

　　量子存儲(chǔ)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(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)。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。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(yuǎn)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(chǔ)器去同步這個(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)。

　　量子網(wǎng)絡(luò)

　　(2)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。

　　和經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，通用量子計(jì)算機(jī)也需要量子存儲(chǔ)器(內(nèi)存)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算功能。依據(jù)具體計(jì)算芯片的不同，該存儲(chǔ)器要存儲(chǔ)相應(yīng)的量子信息載體。以線性光學(xué)量子計(jì)算為例，多光子是一種基本的計(jì)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(chǔ)器可以把這種低效率的光子源轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定性(即P接近100%)的光子源。比如存儲(chǔ)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(chǔ)器壽命范圍內(nèi)，做最大100次重復(fù)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(zhuǎn)變?yōu)榇_定性光子源，并進(jìn)一步獲得多光子源。

　　(3)實(shí)現(xiàn)量子U盤。

　　以上提到的應(yīng)用中量子存儲(chǔ)器的壽命一般在秒量級(jí)及以下，存儲(chǔ)器都是固定在某個(gè)地點(diǎn)配合光子來(lái)實(shí)現(xiàn)諸多功能。2015年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)稀土離子摻雜晶體的自旋態(tài)量子相干壽命長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)。這是量子系統(tǒng)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(jí)。該結(jié)果對(duì)量子信息科學(xué)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。

　　比如我們可以把單個(gè)光子存儲(chǔ)進(jìn)存儲(chǔ)器中，并且在存儲(chǔ)壽命范圍內(nèi)，利用汽車、高鐵、飛機(jī)等運(yùn)輸工具把存儲(chǔ)器運(yùn)輸?shù)饺我庵付ǖ攸c(diǎn)，這就實(shí)現(xiàn)了量子U盤的功能。這是一種革命性的量子通信方案，因?yàn)樗瓌t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)，任何經(jīng)典交通工具能到達(dá)的地方，量子U盤攜帶量子糾纏就能到達(dá)。它將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，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。

　　值得一提的是量子存儲(chǔ)器的容量問(wèn)題，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(2的40次方)的量級(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，所以存儲(chǔ)器的容量實(shí)際上就是經(jīng)典存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)。量子存儲(chǔ)器由于量子相干性的特點(diǎn)，它的一個(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。

　　量子存儲(chǔ)器

　　綜合來(lái)看，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。國(guó)際上有許多研究組在從事量子存儲(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)。量子計(jì)算需求的量子存儲(chǔ)器綜合指標(biāo)相對(duì)低一些，但這種存儲(chǔ)器的實(shí)際應(yīng)用需要伴隨量子計(jì)算研究的突破。

　　量子U盤研究當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)是如何把單個(gè)光子高效率地存儲(chǔ)進(jìn)長(zhǎng)壽命的自旋態(tài)中以及提高實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)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盤有望率先進(jìn)入實(shí)用環(huán)節(jié)。