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            為什么構建遠距離量子網絡需要先固定量子存儲器?

            2022-04-21 17:03:00 來源:科技日報

            量子存儲器用于存儲光子的糾纏態。作為不同鏈路糾纏建立和糾纏交換過程的同步裝置,量子中繼器加速糾纏分發是關鍵。中國利用墨子衛星實現了1200公里的遠距離糾纏分發,但量子存儲器還沒有推出。

            日前,有媒體報道稱,國外學者將一個量子比特的信息存儲在晶體中20毫秒,為長距離量子網絡的發展奠定了重要基礎。

            就像傳統的電子計算機一樣,未來量子信息技術的發展也離不開信息的存儲和讀取。那么,這個至關重要的量子存儲器是如何存儲量子信息的呢?量子信息的存儲難在哪里?

            比經典記憶更重要

            記憶的功能是儲存信息,并在需要時讀出。信息存儲是人類文明傳承的重要手段,是現代信息技術的核心環節。隨著人類歷史的發展,信息存儲的媒介也在不斷變化。

            人腦是最早的信息存儲介質,使人類得以生存并不斷進化。從語言到文字是人類文明進步的轉折點。這種變化使得信息可以脫離人本身,以文字的形式保存和傳遞。人們已經使用了石雕、繩結、書籍、磁盤、光盤和其他形式的記憶。

            現代數字信息處理以二進制計算機為基礎,因此經典存儲器都存儲比特,即兩種經典狀態之一:0或1。比特的大量組合構成了我們需要的各種信息。經典內存包括電腦、手機內存、硬盤和隨身u盤。

            從經典信息時代到量子信息時代,量子存儲器是必不可少的基礎器件。與經典存儲器相比,量子存儲器可以存儲量子態。

            經典內存一般是以比特為單位的,目前的經典內存可以達到TB級別。經典存儲器的一個存儲單元只存儲一位,存儲器的容量實際上是經典存儲單元的數量。由于量子相干的特性,量子存儲器的一個存儲單元一次可以存儲N個量子比特,即N個模式。最近的研究表明,固態量子存儲器的存儲容量可以達到100個量子比特。這個容量遠遠大于地球上所有經典記憶的總和。

            但由于量子信息不可復制和放大,量子存儲器在量子信息中的地位比經典存儲器在經典信息中的地位更重要。到目前為止,從事量子存儲器研究的國際研究小組很多,主流的物理體系有冷原子、熱原子和稀土離子摻雜晶體。目前量子存儲器的各項獨立指標都有不錯的結果,但綜合指標離量子中繼的要求還有很大差距。

            量子中繼器糾纏的關鍵

            量子網絡是遠距離量子通信和分布式量子計算的載體,可以基于量子糾纏建立。遠程量子糾纏態可以支持量子信息的許多應用,包括量子密鑰分發、量子計算機互聯、分布式量子精密測量等。單光子是量子糾纏和量子信息的理想載體,但單光子在光纖網絡中的傳輸面臨指數損耗。單光子穿越100公里光纖的概率是百分之一,穿越500公里光纖的概率降低到百億分之一。

            由于不可避免的信道損耗,目前基于光纖的糾纏分布距離被限制在數百公里的量級。在經典通信中,這個問題可以通過中繼放大器連續放大經典信號來解決。遺憾的是,由于量子不可克隆定理的限制,即未知的量子態無法精確復制,傳統的中繼放大器并不適合量子通信。遠程量子糾纏分發已經成為量子信息領域的核心挑戰之一。

            這個問題的一個可能的解決方案是量子中繼,它的基本思想是把一個大規模的網絡分成幾個小規模的網絡。比如一個500公里的量子糾纏傳輸,可以分解成5個100公里的短程糾纏。在短程糾纏依次成功建立的情況下,可以通過糾纏交換建立長程糾纏。

            這種方法面臨的問題是,每次百公里糾纏的時間一般不同步。例如,第一段可以在0.05秒內建立,第二段可以在0.02秒內建立,第三段可以在0.1秒內建立。這就需要量子記憶同步的過程。每個節點的糾纏一旦成功建立,就會被存儲。當所有節點成功建立后,存儲器之間的糾纏交換將最終建立遠程糾纏。因此,大規模量子網絡要解決的核心問題是高性能量子存儲器的物理實現。

            具體來說,量子存儲器用于存儲光子的糾纏態。作為不同鏈路中糾纏建立和糾纏交換過程的同步裝置,量子中繼器是加速糾纏分發的關鍵?;炬溌分惺褂玫男诺腊ü饫w和自由空間信道。量子光纖中繼的整體結構與經典光纖通信相似,是實現量子網絡目標最有前景的技術路線。量子中繼雖然不能消除光子損耗,但可以將直接通過光纖傳輸的指數損耗轉化為可容忍的多項式損耗,在長距離通信中會顯示出顯著的優勢。然而,自由空間的信道損耗低于光纖。中國利用墨子衛星實現了1200公里的遠距離糾纏分發,但量子存儲器還沒有推出。

            隨著量子信息技術的快速發展,未來量子通信衛星可以結合量子存儲器,實現覆蓋全球的高速量子通信。

            中國科學家表現出色。

            我們知道,開發遠程量子通信系統的挑戰是找到一種在不改變信號的情況下中繼信號的方法,特別是創建一個基于量子存儲器的量子中繼器。

            量子中繼器包括基本鏈路的糾纏建立和后續的糾纏交換過程。由于糾纏交換過程的成功概率是由量子光學的基本原理決定的,而且一般很難提高,為了實現高速量子中繼通信,基本鏈路的糾纏建立成功概率變得非常重要。

            兩個主要因素影響這個成功概率的提升。一個是量子糾纏源的發射概率,即一個糾纏光子發射和實際成功光子發射的概率。第二個是信道傳輸損耗和探測器損耗。光子發射后,經過短距離信道傳輸和探測過程。會嗎

            可避免地引入損耗。

            2021年6月,中國科學技術大學(以下簡稱中國科大)郭光燦院士團隊給出了“中國科大”解決方案。他們首次實現基于吸收型存儲器的量子中繼基本鏈路,并展現了多模式量子中繼的通信加速效果。這一成果登上了《自然》封面。

            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。前者的發射概率原則上可達1,后者在實際使用時為了避免多光子噪聲,保證糾纏保真度,發射概率一般控制在0.1以下。前文提到的兩個制約因素中,第一個問題使用確定性光源即可解決,為了避免多光子發射事件,確定性光源一般要基于單量子系統實現,具體包括單原子、量子點、單個晶格缺陷等。解決第二個問題則需要引入與經典通信中類似的復用技術,即一次性存儲多個光子,這要求基于原子系統的量子存儲器。在基本鏈路的糾纏建立過程中,如果同時使用N個模式,則處于N個模式的光子只要有一個模式成功即可建立節點間的糾纏,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的速率。

            此前,有關量子存儲器的研究主要聚焦于量子通信領域的應用,例如,基于多模式量子存儲建立量子中繼,從而構建遠程的量子互聯網,或基于超長壽命量子存儲實現可移動的量子U盤。

            我國科學家在量子存儲器這一領域取得了一系列突破性成果。2021年4月,中國科大郭光燦院士團隊把相干光存儲時間德國研究人員創下的1分鐘紀錄提升至1小時,創造了新的世界紀錄,這意味著量子U盤成為可能。2021年7月,清華大學段路明研究組首次在實驗中借助對多諧振器系統的動態調控實現了對單光子水平微波脈沖的保相存儲和讀取,并利用此方法展示了對時分編碼量子比特的按需存取。

            欄目導讀

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