近期，中國(guó)科學(xué)家郭光燦院士團(tuán)隊(duì)將光存儲(chǔ)時(shí)間提升至1小時(shí)，刷新了2013年德國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的1分鐘的世界紀(jì)錄，向?qū)崿F(xiàn)量子U盤(pán)邁出重要一步。

　　量子U盤(pán)技術(shù)中用到的光存儲(chǔ)和現(xiàn)有的光存儲(chǔ)技術(shù)完全是兩碼事，它們的原理和實(shí)現(xiàn)難度差了不止十萬(wàn)八千里。

　　那么，常見(jiàn)的光盤(pán)如何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)？量子U盤(pán)又如何“存儲(chǔ)”光？我們?yōu)槭裁匆獙?shí)現(xiàn)這種存儲(chǔ)？“留”光一小時(shí)的難度與意義在何處？

　　這篇文章將用最通俗形象的比喻揭開(kāi)這些問(wèn)題的答案，讓你直達(dá)人類(lèi)科技水平的邊界。

既可照明也可傳遞信息的光

　　光，不僅可以作為照明工具，也是重要的信息媒介。作為重要指示信號(hào)的紅綠燈和日常上網(wǎng)用的光纖，它們都是最常見(jiàn)的用光來(lái)傳輸信息的例子。光之所以能充當(dāng)如此多變的信息媒介，本質(zhì)上是因?yàn)?/span>光是一種電磁波。就像是我們手機(jī)發(fā)射的微波信號(hào)和收音機(jī)的無(wú)線電波一樣，光作為電磁波也同樣可以承載很多信息。

　　但為什么我們無(wú)法感知電磁波的存在，卻可以看到光呢？這是因?yàn)槲⒉ǖ?/span>其他電磁波和可見(jiàn)光的波長(zhǎng)（或者頻率）并不相同，我們身邊的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍僅處于380nm到750nm這一狹窄的范圍內(nèi)，而這一范圍外的所有電磁波都無(wú)法通過(guò)肉眼感知。

　　我們的整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)和用戶手上的各種終端除了對(duì)信息的傳輸有所需求，同樣離不開(kāi)信息的存儲(chǔ)。當(dāng)你把自拍照通過(guò)微信傳遞給親友時(shí)，照片先通過(guò)WiFi或者運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，當(dāng)它們到達(dá)對(duì)方的手機(jī)時(shí)，即便可能并沒(méi)有被下載到相冊(cè)，但其實(shí)已經(jīng)儲(chǔ)存在了手機(jī)的微信緩存中。

　　這個(gè)簡(jiǎn)單的例子很好地反映了信息傳輸和存儲(chǔ)的重要性。未來(lái)，當(dāng)量子通信和量子計(jì)算機(jī)真正走向?qū)嵱没臅r(shí)候，如今的計(jì)算機(jī)和整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)都要大洗牌，我們不得不重頭開(kāi)發(fā)與之相應(yīng)的傳輸和存儲(chǔ)技術(shù)。

　　今天這篇文章不談傳輸，主要來(lái)說(shuō)說(shuō)光和信息存儲(chǔ)之間從現(xiàn)在到未來(lái)的種種糾葛。我們首先來(lái)看看傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)介質(zhì)，比如CD、DVD、藍(lán)光DVD是如何來(lái)存儲(chǔ)信息的。

　　光纖

光盤(pán)如何存儲(chǔ)信息？

　　我們身邊常見(jiàn)的CD-ROM等光盤(pán)就是一個(gè)典型的利用光進(jìn)行信息存儲(chǔ)的例子。首先通過(guò)激光燒制光盤(pán)背面的特殊材料，在光盤(pán)上留下一個(gè)個(gè)“坑”。這樣在光驅(qū)讀取光盤(pán)信息的時(shí)候，激光光斑會(huì)掃描光盤(pán)表面的指定位置，沒(méi)有“坑”的地方就會(huì)明顯地反射光，這種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于電路中的“通”，記為“1”；有“坑”的地方發(fā)生的反射不明顯，對(duì)應(yīng)電路中的“斷”，記為“0”。這樣在掃描的過(guò)程中就可以得到一系列包含“0”和“1”的信息串。通過(guò)這一原理，可以利用光對(duì)信息進(jìn)行寫(xiě)入和讀取。

　　所以你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)粘Ｉ钪兴f(shuō)的光存儲(chǔ)，其實(shí)并沒(méi)有儲(chǔ)存光本身，而是儲(chǔ)存了一系列可以用光來(lái)讀取的圖案（信息）。那么，量子通信中的光存儲(chǔ)技術(shù)又是怎么一回事兒呢？

　　光盤(pán)表面呈現(xiàn)虹彩的原因就是微小構(gòu)造產(chǎn)生的衍射。

此光存儲(chǔ)非彼光存儲(chǔ)：“凍結(jié)”光的量子U盤(pán)

　　通過(guò)“0”和“1”的方式獲取信息，僅僅利用了光路的通斷，光所包含的其他維度的信息（比如光的偏振、振幅、頻率和相位等等）幾乎完全被忽略。這就好比買(mǎi)了一輛法拉利卻專(zhuān)門(mén)用來(lái)買(mǎi)菜，簡(jiǎn)直是大材小用。因此科學(xué)家不斷地創(chuàng)新其他的方式，以期盡可能地利用光的多信息維度實(shí)現(xiàn)新奇有趣的應(yīng)用。量子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的量子U盤(pán)就可以利用光存儲(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，這里的光存儲(chǔ)跟上面說(shuō)過(guò)的光盤(pán)可完完全全是兩回事，我們可以稱(chēng)之為量子光存儲(chǔ)。

　　說(shuō)起量子，是很難用三言兩語(yǔ)說(shuō)清的，此處大家只要知道兩個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)即可：量子世界和宏觀世界是完全不同的兩個(gè)世界；宏觀中能夠利用的原理到了量子世界就可能完全失效。

　　比如，很多人可能會(huì)說(shuō)，既然我們能利用光來(lái)讀取光盤(pán)上的信息，那把這套技術(shù)沿用到量子計(jì)算機(jī)不就好了嗎？其實(shí)，利用光路的通斷來(lái)存儲(chǔ)和讀取信息在量子世界里倒不是行不通，光路通斷畢竟是光最最基本的屬性。但僅僅依靠這一個(gè)性質(zhì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，畢竟人類(lèi)要想真正闖入量子世界，不使出十八般武藝可不行。單純控制一個(gè)光路通斷就好比你用手電筒給細(xì)菌打暗號(hào)，對(duì)方聽(tīng)著肯定有些懵懂。

挑戰(zhàn)前沿量子技術(shù)，人類(lèi)必須無(wú)所不用其極

　　有人可能會(huì)問(wèn)，既然光存儲(chǔ)在量子世界可能不好使，我們干嘛還要拼命開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)呢？這其實(shí)是一個(gè)好問(wèn)題，畢竟我們現(xiàn)在可不止有光存儲(chǔ)這一種信息儲(chǔ)存的手段，磁存儲(chǔ)（例如傳統(tǒng)硬盤(pán)）和電存儲(chǔ)（例如U盤(pán)和SSD）在日常生活中同樣處處可見(jiàn)。

　　其實(shí)，光、電、磁在本質(zhì)上有很多相似的地方，在實(shí)際的量子應(yīng)用中也經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)，我們并非放棄了利用電和磁作為量子存儲(chǔ)手段的技術(shù)路線，事實(shí)上目前的各種量子存儲(chǔ)基本上都是光電磁的綜合運(yùn)用。就像前面所說(shuō)，進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)和量子通訊的世界需要人類(lèi)全力以赴，各種能夠用上的技術(shù)目前都處在火熱的開(kāi)發(fā)階段。目前來(lái)看，量子光存儲(chǔ)與量子計(jì)算有著良好的匹配度，發(fā)展前景突出。那么，量子光存儲(chǔ)到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

　　說(shuō)起信息的存儲(chǔ)，那必然得有介質(zhì)，磁帶、磁盤(pán)、閃存甚至我們的大腦中，都存在著存儲(chǔ)信息的介質(zhì)（其實(shí)介質(zhì)就是某種形態(tài)的物質(zhì)）。我們不可能憑空保存信息，濕滑的地面會(huì)留下腳印，曬傷的皮膚會(huì)發(fā)紅變黑，各種形式的信息都要通過(guò)介質(zhì)留下自己的痕跡。

　　那么，光作為一種信息和介質(zhì)之間存在哪些交互呢？最簡(jiǎn)單的交互當(dāng)然是介質(zhì)對(duì)光路的遮擋，除此以外，還有介質(zhì)對(duì)光的反射、折射以及干涉和衍射。不過(guò)在量子計(jì)算的世界里，光和介質(zhì)還有很多神奇的交互方式。

　　影子是光和物質(zhì)交互時(shí)最常見(jiàn)的現(xiàn)象

風(fēng)吹麥浪：當(dāng)光進(jìn)入介質(zhì)，神奇的事情發(fā)生了

　　首先，光和介質(zhì)原子間可能會(huì)發(fā)生相互間狀態(tài)的傳遞，這種傳遞的具體作用方式異常復(fù)雜，我們就不展開(kāi)敘述了。不過(guò)，我們可以把這種狀態(tài)傳遞想象為是風(fēng)拂過(guò)麥田，麥子隨風(fēng)舞動(dòng)。風(fēng)和麥田之間就存在一種狀態(tài)傳遞關(guān)系。風(fēng)大麥子頭就歪，相反，假如麥子頭不太歪，那就說(shuō)明風(fēng)不太大。光經(jīng)過(guò)原子，它們之間也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的聯(lián)系，光的狀態(tài)（其實(shí)就是光攜帶的信息）就會(huì)傳遞到原子身上。

　　微風(fēng)中的麥田

　　其次，原子還能降低“光速”。注意，這里的光速帶有引號(hào)，它并非是真正的光速，而是一個(gè)叫做“光的群速度”的概念。群速度是光在和介質(zhì)交互過(guò)程中產(chǎn)生的一個(gè)現(xiàn)象，我們?cè)谶@里仍然不準(zhǔn)備展開(kāi)討論什么是群速度。不過(guò)大家可以設(shè)想下面的情景，快艇從水面飛速掠過(guò)，激起的漣漪從船尾向兩側(cè)緩緩鋪開(kāi)。光就好比是快艇，而漣漪就好比是群速度，介質(zhì)就是水面。雖然快艇一騎絕塵眨眼不見(jiàn)，但水面上的陣陣漣漪卻告訴我們它曾經(jīng)來(lái)過(guò)。

　　風(fēng)吹麥浪和快艇飛馳的例子雖然可能并不完全精準(zhǔn)，但它們很好地描繪了光與介質(zhì)交互的過(guò)程中發(fā)生的物理圖景——光能夠在一個(gè)（和光速比）相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)把自己的狀態(tài)（信息）傳遞給介質(zhì)（在介質(zhì)中儲(chǔ)存較長(zhǎng)的時(shí)間）。

　　快艇激起的漣漪

　　我們剛才說(shuō)了介質(zhì)其實(shí)就是物質(zhì)，物質(zhì)本質(zhì)上都是原子組成的，理論上來(lái)說(shuō)，光經(jīng)過(guò)任何物質(zhì)時(shí)都會(huì)發(fā)生上面描述的過(guò)程，這便是量子光存儲(chǔ)所依賴的基本原理。需要注意的是，“存儲(chǔ)”的并非是光本身，而是光的某些狀態(tài)（或者說(shuō)是性質(zhì)），有點(diǎn)“雁過(guò)拔毛”的意思。

　　但物質(zhì)們的性質(zhì)千差萬(wàn)別，它們和光作用后也并非都能產(chǎn)生十分明顯的量子交互效應(yīng)。所以，量子光存儲(chǔ)所依賴的物質(zhì)都非常特殊，本次郭院士團(tuán)隊(duì)采用的就是銪摻雜硅酸釔系綜。相信光是這個(gè)名字就已經(jīng)讓讀者頭大了一圈，不過(guò)沒(méi)關(guān)系，我們只要把系綜理解成一團(tuán)物質(zhì)的集合就好。

　　那么，銪摻雜硅酸釔系綜到底有什么很牛的本領(lǐng)，能讓量子光存儲(chǔ)時(shí)間提升到了1小時(shí)的水平？

　　光與銪摻雜硅酸釔系綜發(fā)生交互的想象圖

如何提高量子光存儲(chǔ)的壽命？

　　之前，光雖然被科學(xué)家們用各種特殊的物質(zhì)加上各種特殊的手段“存儲(chǔ)”下來(lái)了，但存儲(chǔ)壽命還很短。因此設(shè)法提高光存儲(chǔ)的壽命就成為了科學(xué)家們需要攻克的新目標(biāo)。

　　據(jù)了解，之前最接近實(shí)際使用的光存儲(chǔ)器是潘建偉教授研究組基于銣原子系綜的冷原子存儲(chǔ)器，這一存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)了0.22秒的存儲(chǔ)壽命和76%的存儲(chǔ)效率。但人們發(fā)現(xiàn)，基于固態(tài)系統(tǒng)，例如摻雜稀土的離子系統(tǒng)，可以提供更長(zhǎng)的光存儲(chǔ)壽命。

　　近期郭光燦院士團(tuán)隊(duì)就在此方面取得了重要突破，他們將量子光存儲(chǔ)信息時(shí)間提升至1小時(shí)。這項(xiàng)研究也被刊登在了《自然 通訊》雜志上。上面提到的銪摻雜硅酸釔的銪離子系統(tǒng)可以很好地抵御環(huán)境中的磁場(chǎng)擾動(dòng)，因此能夠讓量子光存儲(chǔ)的穩(wěn)定性大大提高。

　　量子光存儲(chǔ)的壽命雖然僅僅提高到了1小時(shí)，但是這短暫的1小時(shí)卻是量子通訊和量子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一大步。

　　參考文獻(xiàn)：

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