存儲器的功能就是把信息存儲起來，直到需要用到的時候再讀出。信息的存儲是是人類文明傳遞的重要手段，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的一個核心環(huán)節(jié)。伴隨著人類歷史的發(fā)展，信息存儲的介質(zhì)也在不斷變化。語言是人類最初的交流方式，大腦是信息存儲的最早介質(zhì)。它使得人類能夠持續(xù)生存與進化。從語言到文字是人類文明進步的一個轉(zhuǎn)折點，信息可以脫離人本身以文字等形式保存起來并傳遞下去。人們先后使用過石頭雕刻、繩子打結(jié)、書本、磁盤、光盤等各種形式的存儲器。

現(xiàn)代數(shù)字信息處理是基于二進制計算機的，所以經(jīng)典的存儲器都是存儲比特的，也就是存儲兩種經(jīng)典狀態(tài)之一：0或者1。大量比特的組合構(gòu)成我們所需要的信息。經(jīng)典存儲器隨處可見，包括電腦、手機內(nèi)的內(nèi)存、硬盤，以及便攜式U盤等。

便攜式U盤

由經(jīng)典信息走向量子信息的時代，量子存儲器是必不可少的基礎(chǔ)器件。對比經(jīng)典存儲器的功能，量子存儲器應(yīng)當(dāng)是可以存儲量子狀態(tài)的，也就是|0?和|1?的任意量子疊加狀態(tài)。|0?和|1?是兩種最基本的量子態(tài)，對應(yīng)經(jīng)典的0和1，其區(qū)別是量子態(tài)可以疊加，比如有|0?+|1?|0?+|1?，|0??|1?|0??|1?，|0?+i|1?等各種狀態(tài)。

量子存儲器在量子信息科學(xué)中具有許多重要的功能：

（1）建立大尺度量子網(wǎng)絡(luò)。

量子網(wǎng)絡(luò)是長程量子通信和分布式量子計算的載體，它可以基于量子糾纏建立起來。單個光子是量子糾纏、量子信息的理想載體，然而單個光子在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸面臨指數(shù)級的損耗，單光子穿越100千米光纖的幾率是百分之一，而穿越500千米光纖的幾率則降至100億分之一。一個典型的解決方案是量子中繼，其基本思想是把大尺度網(wǎng)絡(luò)分割成多段小尺度網(wǎng)絡(luò)。比如500千米的量子糾纏傳輸可以分解為五段100千米的短程糾纏，在短程糾纏依次成功建立的條件下，再利用糾纏交換建立遠(yuǎn)程糾纏。這里的問題是，每個100千米的糾纏建立的時間一般是不同步的，比如第一段可能在0.05秒建立，第二段可能在0.02秒建立，第三段又可能在0.1秒建立，等等。這就需要量子存儲器去同步這個過程，每個節(jié)點的糾纏一旦成功建立則存儲起來，等到所有節(jié)點都成功建立時，存儲器之間進行糾纏交換最終建立遠(yuǎn)程糾纏。所以大尺度量子網(wǎng)絡(luò)要解決的核心問題就是高性能量子存儲器的物理實現(xiàn)。

（2）構(gòu)建量子計算機。

和經(jīng)典計算機一樣，通用量子計算機也需要量子存儲器（內(nèi)存）實現(xiàn)復(fù)雜的計算功能。依據(jù)具體計算芯片的不同，該存儲器要存儲相應(yīng)的量子信息載體。以線性光學(xué)量子計算為例，多光子是一種基本的計算資源，可是直接產(chǎn)生多光子非常困難：某時刻獲得一個光子的幾率是P，則同時獲得N個光子的的幾率是P的N次方。目前P值大約10%，故無法產(chǎn)生幾十個光子的糾纏態(tài)。利用量子存儲器可以把這種低效率的光子源轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定性（即P接近100%）的光子源。比如存儲器的壽命是產(chǎn)生光子所需要一次操作時間的100倍，那么就可以在存儲器壽命范圍內(nèi)，做最大100次重復(fù)嘗試發(fā)射光子直到成功，從而把一個P=1%幾率的光子源轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定性光子源，并進一步獲得多光子源。

（3）實現(xiàn)量子U盤。

以上提到的應(yīng)用中量子存儲器的壽命一般在秒量級及以下，存儲器都是固定在某個地點配合光子來實現(xiàn)諸多功能。2015年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)稀土離子摻雜晶體的自旋態(tài)量子相干壽命長達(dá)6小時。這是量子系統(tǒng)相干壽命的最高水平，并且有望進一步提升至幾天的量級。該結(jié)果對量子信息科學(xué)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。

比如我們可以把單個光子存儲進存儲器中，并且在存儲壽命范圍內(nèi)，利用汽車、高鐵、飛機等運輸工具把存儲器運輸?shù)饺我庵付ǖ攸c，這就實現(xiàn)了量子U盤的功能。這是一種革命性的量子通信方案，因為它原則上可以實現(xiàn)對量子糾纏物體的經(jīng)典搬運。量子通信將不再依賴光纖布網(wǎng)，任何經(jīng)典交通工具能到達(dá)的地方，量子U盤攜帶量子糾纏就能到達(dá)。它將是一種高靈活性且相對低成本的點對點量子通信方式，有望在身份認(rèn)證、簽名、量子密碼、量子信息共享等各領(lǐng)域取得應(yīng)用。

值得一提的是量子存儲器的容量問題，經(jīng)典存儲器一般以比特為單位，現(xiàn)在的經(jīng)典存儲器可以達(dá)到TB（2的40次方）的量級。經(jīng)典存儲器一個存儲單元只存儲一個比特，所以存儲器的容量實際上就是經(jīng)典存儲單元的個數(shù)。量子存儲器由于量子相干性的特點，它的一個存儲單元可以一次性存儲N個量子比特，也就是N個模式。近期研究表明固態(tài)量子存儲器的存儲容量可達(dá)100個量子比特。這個容量已經(jīng)遠(yuǎn)大于地球上所有經(jīng)典存儲器之和。

量子存儲器

綜合來看，由于量子信息不可復(fù)制且不可放大，量子存儲器在量子信息中的地位比經(jīng)典存儲器在經(jīng)典信息中的地位更加重要。國際上有許多研究組在從事量子存儲器的研究，比較主流的物理系統(tǒng)是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體。目前量子存儲器的各項獨立指標(biāo)都有比較好的結(jié)果，然而綜合指標(biāo)仍然距離量子中繼的要求相差較遠(yuǎn)。量子計算需求的量子存儲器綜合指標(biāo)相對低一些，但這種存儲器的實際應(yīng)用需要伴隨量子計算研究的突破。

量子U盤研究當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)是如何把單個光子高效率地存儲進長壽命的自旋態(tài)中以及提高實際系統(tǒng)運輸中的抗環(huán)境噪聲能力。伴隨以上研究的逐步推進，量子U盤有望率先進入實用環(huán)節(jié)。
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