机器心脏报告

编辑：周晓张骞

“简单来说，我们只是用晶体把光“储存”起来，一个小时后拿出来，发现它的相位、偏振等状态信息保存得很好。」

存储器的功能是存储信息并读出，直到需要为止。在量子通信领域，我们也需要一个内存。但是这种记忆是特殊的，因为它需要储存光线。科学家称这种内存为“量子u盘”。为什么需要“量子u盘”？在量子通信中，单个光子在光纤网络中的传输面临指数级损耗：穿越100公里光纤的概率为1%，穿越500公里光纤的概率降为100亿分之一。这使得远程量子通信难以实现。因此，科学家们想到了一种方法：通过传输u盘来存储光子和传输量子信息。有了量子u盘，我们可以在里面存储单个光子，并在存储寿命内通过汽车、高速列车、飞机等交通工具运输到任何指定的地方。但是这种方法非常困难。光在真空中的传播速度约为30万公里/秒，要建造一个“量子u盘”，需要将光“减速”。考虑到飞机、高铁等交通工具的速度，量子u盘的光存储时间需要达到小时量级才有实用价值。最近，李传锋和中国科学技术大学tzddx研究团队(ngdbz院士团队)在这方面有了突破，将光存储时间提高到1小时，大大刷新了德国团队8年前创下的1分钟世界纪录，向实现量子u盘迈出了重要一步。相关研究发表在《自然通讯》杂志上。

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y's论文第一作者是中国科学院量子信息重点实验室博士生的英雄香水。审稿人认为“这部作品是一个伟大的成就”。“简单来说，我们只是用晶体把光“储存”起来，一个小时后拿出来，发现它的相位、偏振等状态信息保存得很好。”李传锋说。光的状态信息容易消失，这项研究大大延长了保存时间，有望催生一系列创新应用。比如两个远距离望远镜拍摄到的光可以保存起来放在一起进行“干涉”处理，可以突破单个望远镜的尺寸限制，大大提高观测精度。量子u盘对于构建全球量子通信网络具有重要意义。李传锋介绍，要实现量子u盘，不仅要高精度“保光”，还要提高信噪比，这也是他们下一步努力的方向。

量子U盘有什么用？

现代数字信息处理基于二进制计算机，因此经典存储器都存储位，即两种经典状态之一：0或1。大量比特的组合构成了我们需要的信息。电脑内存、硬盘、传统u盘都是经典的记忆。从经典信息到量子信息，量子存储器是必不可少的基础器件。与经典存储器的功能相比，量子存储器应该能够存储量子态，即| 0和| 1的任意量子叠加态。量子存储器在量子信息科学中有许多重要的功能，包括建立大规模的量子网络和构建量子计算机。量子存储器的寿命一般在几秒或更短的数量级，存储器固定在某个地方，与光子协同实现多种功能。2015年，科学家发现稀土离子掺杂晶体的自旋态量子相干寿命长达6小时。这是量子系统相干寿命的最高水平，有望进一步提高到几天量级。这些结果对量子信息科学的发展有着深远的影响。一旦我们有了量子u盘，我们就可以在其中存储单个光子，并在存储寿命内通过运输方式将其运输到任何指定的地方。这是一个革命性的量子通信方案，因为它在原理上可以实现量子纠缠物体的经典输运。量子通信将不再依赖光纤布网，无论经典车辆能到达哪里，量子u盘都可以用量子纠缠到达。它将是一种灵活性高、成本相对较低的点对点量子通信模式，有望应用于身份认证、签名、量子密码、量子信息共享等各个领域。

00-1010尽可能延长相干光的存储时间是制造量子u盘的关键。稀土离子掺杂晶体的发现，让人们看到了长寿命光存储的希望。然而，由于对这种材料的能级结构缺乏了解，科学家们一直无法实现长寿命的光存储。李传锋和tzddx课题组长期致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究。2015年，课题组自制了光拉曼外差探测核磁共振谱仪，专门用于稀土离子掺杂晶体的能级结构分析。依托该仪器，研究团队精确描述了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整baddp量，并从理论上预测了ZEFOZ磁场下的能级结构[亮度杂志802，32 (2018)]。近日，课题组结合理论预测首次测量了掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场中的完整能级结构。在此基础上，研究小组结合了原子。

频率梳（AFC）量子存储方案以及ZEFOZ技术，成功实现了光信号的长寿命存储。

存储方案示意图，信号光场（probe）被梳状的原子吸收谱吸收，并被控制光场（control）存储为自旋激发，在射频（RF）场的操控下延长存储时间，最终读取为光信号。实验中，光信号首先被AFC吸收成为铕离子系综的光学激发，接着被转移为自旋激发，经历一系列自旋保护脉冲操作后，最终被读取为光信号，总存储时间长达1小时。通过加载相位编码，实验证实在经历了1个小时存储后，光的相位存储保真度高达96.4 ± 2.5%。

读出光脉冲信号强度与存储时间的关系。

这些结果表明该装置具有极强的相干光存储能力以及用于量子态存储的潜力。

2020中国创新指数排名全球第14，量子科技成就突出

《2020年全球创新指数（GII）报告》显示，在全球131个经济体中，中国保持在全球创新指数榜单第14名。近年来，中国的这一排名迅速攀升，其中量子科技领域的创新成就尤为突出。2017年8月，由我国完全自主研制的世界上第一颗量子科学实验卫星「墨子号」在国际上首次成功实现了千公里级的星地双向量子通信，标志着中国量子通信技术达到全面领先地位。2020年12月，中国量子计算原型机「九章」问世，使我国成为全球第二个实现「量子优越性」的国家。2020年8月，ngdbz院士团队在高维量子通信研究中取得了重要进展，该团队李传锋、qpdsg研究组与奥地利Marcus Huber教授研究组合作，首次实现了高保真度32维量子纠缠态。此次ngdbz院士团队在光量子存储领域取得的突破将是我国量子科技领域又一重要进展。

参考链接：https://physics.ustc.edu.cn/2020/0902/c3542a447972/page.htmhttps://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htmhttps://baijiahao.baidu.com/s?id=1698013882347816988&wfr=spider&for=pchttp://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/764