“由于光纤传输具有指数衰减，单光子长距离传输基本不可能。量子u盘可以解决单光子的远程传输问题，”中国科学技术大学副教授hxdjb向DeepTech介绍了最近的成果。

图|作者：kwdyf，李传锋，适小蝴蝶，hxdjb(来源：作者提供)

4月22日，李传锋、hxdjb等。来自适当团队的小蝴蝶院士在光量子存储领域取得重要突破，将相干光的存储时间提高到1小时，创造了新的世界纪录。

这意味着向基于便携式量子存储的远程量子通信技术迈出了重要一步。4月22日，相关论文发表于《自然通讯》，题目为“原子频梳存储器中的一小时相干光存储”。

图|相关论文(来源：受访者)

00-1010无论是对“以太”的迷恋，还是对“波粒二象性”的争论，人类从未停止对光的探索，也在思考如何改造、利用甚至征服光。

随着光纤的广泛使用，光已经成为现代信息传输的重要载体。在当前流行的“量子通信”和“量子纠缠”技术中，光因其优异的性能被众多研究小组选为量子系统的信息载体，光纤也成为长距离量子通信技术的重要通道。

图|量子技术(来源：Pixabay)

然而，光信号的长距离传输不可避免地会导致一个令人头疼的问题：长距离传输中的信号衰减和失真。量子中继技术是一种解决方案，即在长距离传输中间建立几个基于量子记忆的中继站，克服损耗，建立远程量子纠缠。然而，由于继电器系统过于复杂，这种方法尚未在实践中应用。

如果我们能像电子计算机一样构建一个长期稳定可靠的光量子存储系统，所有问题都会迎刃而解。这样，我们就可以通过传输光量子存储实体来传输量子信息，或者建造配备光量子存储系统的卫星来实现全球量子通信。

光的量子存储似乎很简单，就是把光储存起来，然后发出去。我们能用太阳能电池和LED实现吗？就像《国产凌凌漆》里的太阳能手电筒。

图|太阳能手电筒(来源：网络)

事实上，太阳能电池只储存光能，无法加载量子信息。能装载量子信息的是光的相位。如果相位改变，信息会失真，存储会失败。相干光存储器是指能够存储光相位的存储器。当入射光场弱到单光子水平时，就是光量子存储器。

只有当储存时间达到二级或二级以上时，这种技术才能逐渐投入使用，这与将电能储存在电容器或电池中是一样的。

科学家们想了很多办法。最直接的方法就是把灯调慢，然后锁起来。1999年，哈佛大学团队利用带有外磁场的冷原子气体，将光速降低到每秒17米。相关论文出现在《自然》杂志的封面上。封面图片显示一辆自行车与光赛跑。

图|哈佛大学团队在《自然》杂志上发表的论文(来源：Nature)

然后，在2001年的实验中，他们存储了光信号，并将其绑定在某个空间中。但是这种实验方案的光存储时间只有千分之几秒，远远不能长期存储。

2013年，达姆施塔特大学团队采用了基于掺镨硅酸钇晶体(PR:Y2SiO5)的体系，建立了光自旋激发，并将光储存在其中，最终停留1分钟，创造了当时该领域的世界纪录。

简单地说，德国团队建造了一个光学“冰箱”，它是掺镨的硅酸钇晶体(Pr

整个过程简单来说就是三步走，第一步把 “冰箱门” 打开，第二步把光放进去，第三步把 “冰箱门” 关上。其中的磁诱导透明效应，是控制 “冰箱门” 的关键，有此效应的介质在特定条件下，不会吸收某特定频率的光。

图 | 光的传播（来源：Pixabay）

实验中，该团队把一束控制激光射向晶体，触发其电磁诱导透明效应，使晶体不会吸收某些频率的光，也就是会变得透明。

随后，他们用特定频率的第二束光承载信息，照射透明的晶体，接着关闭控制激光束，让晶体变回不透明状。这就将光存储在晶体之中，其中光信号的能量被晶体中的其他原子吸收，而其中信息也转化成了原子自旋激发。

到了读取阶段，再重新开启控制激光束，打开导出光路，将原子自旋激发重新释放给光子，如此就能导出光信号。研究人员重复了多次实验，发现这些原子自旋激发可以实现光的相干存储的时间为一分钟，一旦超过这个时间，重新读取的信息就会失真。

图 | 德国达姆施塔特大学团队光储存方案光路示意图（来源：网络）

这给后人留下了启示，即可以将光导入到一种特殊材料中，并用某些控制手段让其全部存留在其中，从而被材料吸收。

如果用相应手段导出的光，在历经长时间后仍然保持相干性，光量子储存技术就成型了，只是这种新材料和相应的控制技术并不好找。

轮到中科大团队出场！

据了解，中科大李传锋、hxdjb课题组，一直致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究，为此他们瞄准了掺铕硅酸钇晶体（Eu3+:Y2SiO5）。

hxdjb告诉 DeepTech：“本次光储存方案的关键之一就是材料的选择，掺镨硅酸钇晶体的极限只能做到 1 分钟，掺铕硅酸钇晶体其实是能够做到一个月的。”

而选择掺铕硅酸钇晶体的原因之一，也是因为关注到了澳大利亚国立大学团队在 2015 年做出的成果，澳洲团队在一阶塞曼效应为零（ZEFOZ）磁场下，观察到掺铕硅酸钇晶体的核自旋相干寿命可以达到 6 小时。但是，他们并未对该材料的能级结构，做出正确和完整的分析、也没有实现光存储。

同样在 2015 年，hxdjb所在团队开始自研一台光学拉曼外差探测核磁共振谱仪，基于掺铕硅酸钇晶体的核磁共振数据，他们精确刻画出掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整lmdzfj量，并于 2018 年在理论上预测了 ZEFOZ 磁场下的能级结构，接着又首次实验测定了、掺铕硅酸钇晶体在 ZEFOZ 磁场下的完整能级结构。

有了能级结构，就有了攻克光量子存储这一 “堡垒” 的地图。能级之间的能量变化正好能够有指向性地对应一些特定频率的光，知晓能级结构则是控制光信息的导入和导出的第一步。

图 | 中科大团队光量子储存方案：a.ZEFOZ 磁场下的能级结构；b. 系统光路示意图（来源：受访者）

在此基础上，本次团队结合了原子频率梳（AFC）量子存储方案和 ZEFOZ 技术，攻克了光信号的长寿命存储难题。其中原子频率梳技术，可以认为是一项极其精确的操控原子的技术，可用于捕捉光信号。

hxdjb表示：“原子频率梳技术是目前唯一一种能够在稀土离子掺杂晶体中成功实现长寿命光量子存储的方案。”

（来源：受访者）

具体而言，实验中的光信号（下图中 Probe）首先被 AFC（下图中 | 3>g 态）吸收成为铕离子系综的光学激发（下图中 | 3>e 态），接着被控制信号（下图中 Control）转移为自旋激发（下图中 | 4>g 态）。

图 | 光量子存储方案示意图（来源：中科大）

经历一系列的自旋保护脉冲操作后，最终可读取出光信号，总存储时间长达 1 小时。值得一提的是，其中用作保护和延长存储寿命的是基于射频（RF）信号的动态解耦（Dynamical Decoupling）技术实现的。

虽然是最后一个环节，但是也是相当重要，hxdjb告诉 DeepTech：“在晶体中有很多镱原子，其核自旋在不停翻转，它们就构成了晶体内部的扰动磁场，会使得这个铕离子的核自旋退相干。所以我们基于前人的成果，在这里加入了一个周期性的翻转信号，让这个扰动磁场的效果在整体积分层面上来看消失。”

简单来说，就是在外部加入了翻转信号来减少背景噪声对于信号的影响，从而延长光量子存储的寿命。

最后，研究小组将光信号读出，实验证实在经历了 1 个小时存储后，光的位相存储保真度高达 96.4 ± 2.5%，这说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。

hxdjb表示，论文发布后，国际学术界还提出了一些意外的新应用场景，比如在甚长基线干涉仪的天文望远镜中，可以利用量子 U 盘运输光场来扩大干涉仪的尺寸，从而大幅地提高光学望远镜的分辨率。

（来源：受访者）

即将研发量子 U 盘原型机

对于可能的应用，他说：“沿着远程量子通信这条路走下去，那么就只有两个方向，量子中继和量子 U 盘。”

具体而言，如果在量子中继卫星上部署光量子存储技术，一小时的存储时间足以让一个卫星从西半球覆盖到东半球，形成全球范围的覆盖。

量子 U 盘则是量子技术中出现的专属存储方式，拥有着基于量子力学原理的安全性，就像是一个有高级密钥的 U 盘。

（来源：网络）

谈及未来发展，hxdjb告诉 DeepTech：“对于卫星而言，一小时的存储时间是足够长的。但是，地面上的话，高铁一小时也只能跑 200~300 公里，这还远远不够，如何拓展光存储时间和制作量子 U 盘原型机也是接下来我们专注研究的方向。”

相比普通 U 盘，量子 U 盘不用担心数据被人窃取，更不用担心丢失，即便不小心丢了也只是丢了一个 U 盘外壳而已，里面的数据不会被任何人窃取。

下一步，他计划先在实验室研发出量子 U 盘原型机，未来期望能真正走向实用。