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我国量子存储器取得重大进展!世界首次实现“按需读取”

本文作者:吴优 2021-01-02 12:42
导语:“按需式读取”的可集成固态量子存储器的研制,对实现大容量量子存储、构建量子网络意义重大。

近日,我国在量子存储领域取得重大进展。

中国科学技术大学郭光灿院士团队研究组李传锋、周宗权首次研制出“按需式读取”的可集成固态量子存储器,存储保真度达到99.3%±0.2%,该成果于12月28日发布在国际知名期刊《物理评论快报》上,这对于实现大容量量子存储、构建量子网络意义重大。

我国量子存储器取得重大进展!世界首次实现“按需读取”

超级安全的量子网络

量子存储器的一个重要作用就是构建大尺度量子网络。

何为量子网络?量子网络是指在多个通信节点间,利用量子密钥分发进行安全通信的网络,各节点间的量子密钥可以对传统的语音、图像等通信数据进行加密和解密,旨在解决由光线有线建立的互联网所承载的数据容易被窃取的问题。

早在几年前,曾经为美国国家安全局工作的Edward Snowden就向外界展示了情报部门监控互联网数据的方法,间谍可以通过接入光纤有线网,从而监控大量信息。最初这一事件激励了量子科学在保密方面的研究,即量子网络。

之所以能够实现安全通信,是因为在量子网络中对量子体的任何测量行为都是对量子体的一次修改,所以任何监测量子信息的行为都会留下痕迹,被量子信息的接受者检测到。这是量子纠缠原理的体现,如果两个位置之间共享一个纠缠的粒子对,那么无论这两个位置相距多远,一个粒子的量子状态发生改变,另一个粒子的状态也会随之发生改变。

正是因为量子网络的超级安全性,全世界都在积极推进量子网络的建设,并有些许进展,其中中国在量子网络建设中处于表现出色,出于领先地位。

2014年,中国研发的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里,刷新记录。

2016年,中国发射全世界首颗量子科学实验卫星。

2017年,世界首条量子保密通信干线“京沪干线”开通,并与“墨子号”量子卫星结合,实现人类首次洲际距离且天地链路的量子保密通信。 

国际上首次实现按需式读取

和经典的计算机网络一样,量子网络也需要量子存储器来存储量子状态,尤其是在量子网络中需要靠单光子来充当理想载体,而单光子在光纤网络中的传输面临指数级损耗,就需要靠量子中继和量子存储器来降低损耗。

具体的方法是,先将大尺度网络分割成多段小尺度网络,当短程纠缠成功建立时,再利用纠缠交换建立远程纠缠,不过由于每个短程纠缠的建立时间不同步,就还需要量子存储器来同步这一过程。先将短程纠缠存储起来,当所有节点建立成功之后,再在存储器之间进行纠缠交换。因此量子存储器是构建大尺度量子网络的核心器件。

此次中国科学技术大学郭光灿院士团队研究组李传锋、周宗权首次研制出“按需式读取”的可集成固态量子存储器,突破点在于“按需式读取”,指的是光子写入存储器之后可以根据需求决定读出的时间。这是国际上首次实现按需式读取的可集成固态量子存储器。

根据央广网的报道,为了实现按需式读取,该研究组采用一种改进的量子存储方案,即电场调制的原子频率梳方案,通过引入两个电脉冲,利用斯塔克效应实时操控稀土离子的演化,从而控制存储器的读出时间。

除了建立大尺度的量子网络之外,量子存储器还有另外两个重要功能,一是充当存储量子信息的载体用于构建量子计算机,二是实现量子U盘这一高灵活性、低成本的点对点的量子通信方式。

本文参考来源:

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1687677839772802054&wfr=spider&for=pc

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.260504

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