“量子”用U盘将量子纠缠储存？高速远距离量子通信指日可待

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光子是未来量子网络信息传递的天然载体，然而由于光子在光纤中传输损耗与传输距离呈指数关系增长，目前量子通信和距离被限制在三百公里左右。储存器的功能就是将信息储存起来，直到有用的时候再将信息读出。那是否拥有一种储存器，能够储存光子的纠缠态，让量子通信和距离被延续得更长呢？

量子储存器是一种可以将量子态储存起来，并且过一段时间还可以将存储的量子态读取出来的器件，是量子中继的核心器件。经典储存器一个储存单位往往只能储存一个比特，而量子储存器的一个存储单位可以一次性存储N个量子比特。量子储存器是构建量子网络的核心部件，实用化量子网络的构成依赖于高性能量子储存器的物理实现。近二十年来，人们逐渐尝试着将承载着量子信息的单个光子也存储起来，利用存储器进行多光子同步、量子计算以及远距离量子通信。

量子网络是指将诸多位于不同地点的量子处理器连接形成一个可以传输量子态的网络，它能够提供许多革命性的功能，包括任意远距离的安全通信、分布式量子计算、量子密钥分发、量子计算机互联等众多量子信息的应用。而实现它的基础单元就是两个远距离的量子储存器之间的纠缠。

但是在纠缠过程中必然会存在着信道损耗，单个光子在光纤网络中传输面临指数级的损耗，单光子穿越100千米光纤的几率是百分之一，而穿越500千米光纤的几率则降至100亿分之一。目前基于光纤的纠缠分发距离被限制在百千米量级。尽管这一问题可以通过中继放大器对经典信号不断放大来解决，但由于未知的量子态不能被精确复制，传统的中继放大器也并非能够适用于量子通信。远程量子纠缠分发也变成为了量子信息领域的核心挑战之一。

中国科学技术大学郭光灿院士团队首次实现基于吸收型存储器的量子中继基本链路，并展现了多模式量子中继的通信加速效果。中国科大团队把量子光源划分为确定性量子光源和概率性量子光源，这种突破性的存控制技术所制成的存储装置，可以大幅提高纠缠建立的成功概率并提升最终的纠缠分发的速率，并且能够存储一个小时左右的量子比特，还会在计算过程中更新量子信息。

长寿命量子储存的不止可以用于长程的量子通信，未来还可能研制出类比于经典U盘的量子U盘。这种革命性的基于超长寿命量子存储实现可移动的量子U盘，也是一种远程量子通信的解决方案，在原则上可以实现对量子纠缠物体的经典搬运。量子通信将不再依赖光纤布网，只要让量子U盘携带量子纠缠，利用任何交通工具就能到达任何地方。它将会是一种高灵活性且相对低成本的点对点量子通信方式，甚至有望在身份认证、签名、量子密码、量子信息共享等各领域取得应用。

量子储存器不仅仅能够服务于可以预见的应用，其低噪音以及量子特性还能够为基础物理提供新的可能。总之，量子信息研究一方面给人们提供了更加强大的信息处理工具，另一方面也在促使人们回过头来重新研究量子物理的基本问题，在不断对量子信息的研究中，任何突破都将彻底改变人类未来的生活。并且随着量子信息技术的飞速发展，我们期待着，未来量子通信卫星可以结合量子存储器，实现覆盖全球的高速量子通信。

(资料参考来源：科技日报、中科院量子信息重点实验室、知网)

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