量子通讯的中继器：量子存储器

量子存储器从基础观念上就与传统存储器不同。首先，这里的存储器是指类似DRAM或SRAM的缓冲器(buffer)，只是暂存信息之用。类似NAND能永久储存的量子储存器还早，有待探索。

量子存储器的目的是暂存量子状态(quantum state)的信息，目前只能做到单一个量子状态的暂时储存，但这已是观念及技术上很大的突破了。

量子信息的传送需要载体，最理想当然是光子：速度快、量子状态比较容易维持、可承载量子信息的自由度也最多。最常用来携带量子信息的自由度是光子偏振(photon polarization)。

现在储存光子承载量子状态的材料是原子蒸气(atomic vapor)。准确的来说是铷87^[1]。储存的工具是铷原子中的基态(ground state)和激态(excited state)的超精细分裂态(hyperfine splitting)4个能阶上电子自旋波的线性组合叠加。用白话说，就是把光子的量子态(偏振)想办法转化成原子的量子态(精细分裂态的电子自旋波)。

在量子的世界里，储存信息首先有理论上的障碍—量子信息有不可复制定理(no-cloning theorem)：量子信息可以被传递、被移转，但就是无法1份复制成2份，这也是量子通讯是安全通讯的理论基础。

所以上述的量子存储器只能将光子所携带的量子态移转到原子蒸汽上。光子与原子蒸汽上这二者的界面很有讲究，能否将光子量子状态精确的移转到原子蒸汽上要利用物理知识巧妙的工程设计，譬如2个超精细分裂态的跃迁有特殊的偏振选择规则(polarization selection rule)，也就是说，它只允许吸收特定偏振量子态的光子，而且是单光子(single photon)，这样原子蒸汽就可以用其能阶上电子的自旋波，保存光子上原有的偏振所代表的量子信息了。

怎麽将储存的信息读出？这个不难，再用频率适当的雷射照射存储器，原先吸收光子自基态跃迁至激态的电子，就会掉落到基态而释放出光子，而且保持其原有的偏振量子态。

目前能做出来的量子存储器只能储存单光子的量子状态，而且储存时间甚短，所以只是原型(prototype)，但这已经可以开始应用了。原型出来后的发展，那只是工程努力时间长短的问题。

量子存储器主要的应用之一是量子通讯(quantum communication)的中继器(repeater)。携带量子信息的光子可以在光纤中传输得很远，但有极限，目前的纪录是50公里，所以要在光子衰减之前，将信号重新再发送一次。量子存储器就可以用来接收即将衰减的光子，暂存起来，处理(譬如与另一光子纠缠)后再发送。量子存储器在量子计算与量子传感还有别的应用，特别是量子计算。很难想像量子计算在量子位元数达到实际应用的规模后，如何更进一步支持更复杂的运算，这时就少不了量子存储器。

量子通讯是量子信息(quantum information)的最早应用，国内已经部署了2,000公里的京沪干线，进入了商务应用的阶段(虽说目前还处于亏损阶段)；荷兰也开始了，所以量子存储器也应该很快的会进入量产阶段。

量子信息产业未来将附加在现存的半导体、资通产业架构上，这是产业内默认的共识。我的一个题外话是像量子存储器这样精采迭出的创新技术是现在半导体学院能训练出来的？还是学过基础科学的人比较有能力在其后续生涯发展中上手的？这个问题值得想一想。我的意见是不要让一时的商业订单动摇了一个产业乃至于一个国家的长期人力资源布局。

注[1]：PRX QUANTUM 3, 020349 (2022)

国内的量子通讯系统「京沪干线」在2013年7月立项，2016年11月建成，2017年9月29日正式开通。图为京沪干线途径重要国内城市。中广互联