光子是未來量子網(wǎng)絡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)關系增長，目前量子通信和距離被限制在三百公里左右。儲存器的功能就是將信息儲存起來，直到有用的時候再將信息讀出。那是否擁有一種儲存器，能夠儲存光子的糾纏態(tài)，讓量子通信和距離被延續(xù)得更長呢？

量子儲存器是一種可以將量子態(tài)儲存起來，并且過一段時間還可以將存儲的量子態(tài)讀取出來的器件，是量子中繼的核心器件。經(jīng)典儲存器一個儲存單位往往只能儲存一個比特，而量子儲存器的一個存儲單位可以一次性存儲N個量子比特。量子儲存器是構建量子網(wǎng)絡的核心部件，實用化量子網(wǎng)絡的構成依賴于高性能量子儲存器的物理實現(xiàn)。近二十年來，人們逐漸嘗試著將承載著量子信息的單個光子也存儲起來，利用存儲器進行多光子同步、量子計算以及遠距離量子通信。

量子網(wǎng)絡是指將諸多位于不同地點的量子處理器連接形成一個可以傳輸量子態(tài)的網(wǎng)絡，它能夠提供許多革命性的功能，包括任意遠距離的安全通信、分布式量子計算、量子密鑰分發(fā)、量子計算機互聯(lián)等眾多量子信息的應用。而實現(xiàn)它的基礎單元就是兩個遠距離的量子儲存器之間的糾纏。

但是在糾纏過程中必然會存在著信道損耗，單個光子在光纖網(wǎng)絡中傳輸面臨指數(shù)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。目前基于光纖的糾纏分發(fā)距離被限制在百千米量級。盡管這一問題可以通過中繼放大器對經(jīng)典信號不斷放大來解決，但由于未知的量子態(tài)不能被精確復制，傳統(tǒng)的中繼放大器也并非能夠適用于量子通信。遠程量子糾纏分發(fā)也變成為了量子信息領域的核心挑戰(zhàn)之一。

中國科學技術大學郭光燦院士團隊首次實現(xiàn)基于吸收型存儲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。中國科大團隊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所制成的存儲裝置，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，并且能夠存儲一個小時左右的量子比特，還會在計算過程中更新量子信息。

長壽命量子儲存的不止可以用于長程的量子通信，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壽命量子存儲實現(xiàn)可移動的量子U盤，也是一種遠程量子通信的解決方案，在原則上可以實現(xiàn)對量子糾纏物體的經(jīng)典搬運。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任何地方。它將會是一種高靈活性且相對低成本的點對點量子通信方式，甚至有望在身份認證、簽名、量子密碼、量子信息共享等各領域取得應用。

量子儲存器不僅僅能夠服務于可以預見的應用，其低噪音以及量子特性還能夠為基礎物理提供新的可能?？傊?，量子信息研究一方面給人們提供了更加強大的信息處理工具，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，在不斷對量子信息的研究中，任何突破都將徹底改變?nèi)祟愇磥淼纳?。并且隨著量子信息技術的飛速發(fā)展，我們期待著，未來量子通信衛(wèi)星可以結合量子存儲器，實現(xiàn)覆蓋全球的高速量子通信。

(資料參考來源：科技日報、中科院量子信息重點實驗室、知網(wǎng))

關鍵詞： 量子糾纏 遠距離的