量子存儲器地位舉足輕重 具有哪些功能？

　　存儲器的功能就是把信息存儲起來，直到需要用到的時候再讀出。信息的存儲是人類文明傳遞的重要手段，也是現代信息技術的一個核心環節。伴隨著人類歷史的發展，信息存儲的介質也在不斷變化。語言是人類最初的交流方式，大腦是信息存儲的最早介質。它使得人類能夠持續生存與進化。從語言到文字是人類文明進步的一個轉折點，信息可以脫離人本身以文字等形式保存起來并傳遞下去。人們先后使用過石頭雕刻、繩子打結、書本、磁盤、光盤等各種形式的存儲器。

　　電腦硬盤

　　現代數字信息處理是基于二進制計算機的，所以經典的存儲器都是存儲比特的，也就是存儲兩種經典狀態之一：0或者1。大量比特的組合構成我們所需要的信息。經典存儲器隨處可見，包括電腦、手機內的內存、硬盤，以及便攜式U盤等。

　　便攜式U盤

　　由經典信息走向量子信息的時代，量子存儲器是必不可少的基礎器件。對比經典存儲器的功能，量子存儲器應當是可以存儲量子狀態的，也就是和任意量子疊加狀態。

　　量子存儲器在量子信息科學中具有許多重要的功能：

　　(1)建立大尺度量子網絡。

　　量子網絡是長程量子通信和分布式量子計算的載體，它可以基于量子糾纏建立起來。單個光子是量子糾纏、量子信息的理想載體，然而單個光子在光纖網絡中傳輸面臨指數級的損耗，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。一個典型的解決方案是量子中繼，其基本思想是把大尺度網絡分割成多段小尺度網絡。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程糾纏。這里的問題是，每個100千米的糾纏建立的時間一般是不同步的，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。這就需要量子存儲器去同步這個過程，每個節點的糾纏一旦成功建立則存儲起來，等到所有節點都成功建立時，存儲器之間進行糾纏交換最終建立遠程糾纏。所以大尺度量子網絡要解決的核心問題就是高性能量子存儲器的物理實現。

　　量子網絡

　　(2)構建量子計算機。

　　和經典計算機一樣，通用量子計算機也需要量子存儲器(內存)實現復雜的計算功能。依據具體計算芯片的不同，該存儲器要存儲相應的量子信息載體。以線性光學量子計算為例，多光子是一種基本的計算資源，可是直接產生多光子非常困難：某時刻獲得一個光子的幾率是P，則同時獲得N個光子的的幾率是P的N次方。目前P值大約10%，故無法產生幾十個光子的糾纏態。利用量子存儲器可以把這種低效率的光子源轉變為確定性(即P接近100%)的光子源。比如存儲器的壽命是產生光子所需要一次操作時間的100倍，那么就可以在存儲器壽命范圍內，做最大100次重復嘗試發射光子直到成功，從而把一個P=1%幾率的光子源轉變為確定性光子源，并進一步獲得多光子源。

　　(3)實現量子U盤。

　　以上提到的應用中量子存儲器的壽命一般在秒量級及以下，存儲器都是固定在某個地點配合光子來實現諸多功能。2015年，科學家發現稀土離子摻雜晶體的自旋態量子相干壽命長達6小時。這是量子系統相干壽命的最高水平，并且有望進一步提升至幾天的量級。該結果對量子信息科學發展具有深遠的影響。

　　比如我們可以把單個光子存儲進存儲器中，并且在存儲壽命范圍內，利用汽車、高鐵、飛機等運輸工具把存儲器運輸到任意指定地點，這就實現了量子U盤的功能。這是一種革命性的量子通信方案，因為它原則上可以實現對量子糾纏物體的經典搬運。量子通信將不再依賴光纖布網，任何經典交通工具能到達的地方，量子U盤攜帶量子糾纏就能到達。它將是一種高靈活性且相對低成本的點對點量子通信方式，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。

　　值得一提的是量子存儲器的容量問題，經典存儲器一般以比特為單位，現在的經典存儲器可以達到TB(2的40次方)的量級。經典存儲器一個存儲單元只存儲一個比特，所以存儲器的容量實際上就是經典存儲單元的個數。量子存儲器由于量子相干性的特點，它的一個存儲單元可以一次性存儲N個量子比特，也就是N個模式。近期研究表明固態量子存儲器的存儲容量可達100個量子比特。這個容量已經遠大于地球上所有經典存儲器之和。

　　量子存儲器

　　綜合來看，由于量子信息不可復制且不可放大，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加重要。國際上有許多研究組在從事量子存儲器的研究，比較主流的物理系統是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體。目前量子存儲器的各項獨立指標都有比較好的結果，然而綜合指標仍然距離量子中繼的要求相差較遠。量子計算需求的量子存儲器綜合指標相對低一些，但這種存儲器的實際應用需要伴隨量子計算研究的突破。

　　量子U盤研究當前面臨的主要挑戰是如何把單個光子高效率地存儲進長壽命的自旋態中以及提高實際系統運輸中的抗環境噪聲能力。伴隨以上研究的逐步推進，量子U盤有望率先進入實用環節。