“留光”1小时!中国科学家刷新世界纪录
发布时间:2021-06-07
出品:科普中国
制作:李瑞
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  近期中国科学家郭光灿院士团队将光存储时间提升至1小时,刷新2013年德国科学家团队创造的1分钟的世界纪录,向实现量子U盘迈出重要一步。

  量子U盘技术中用到的光存储和现有的光存储技术完全是两码事,它们的原理和实现难度差了不止十万八千里。

  那么,常见的光盘如何存储数据?量子U盘又如何“存储”光?我们为什么要实现这种存储?“留”光一小时的难度与意义在何处?

  这篇文章将用最通俗形象的比喻揭开这些问题的答案,让你直达人类科技水平的边界。

  

  (图片来源:TWENTY20.com

既可照明也可传递信息的光

  光,不仅可以作为照明工具,也是重要的信息媒介。作为重要指示信号的红绿灯日常上网用的光纤,它们都是最常见的用光来传输信息的例子。光之所以能充当如此多变的信息媒介,本质上是因为光是一种电磁波。就像是我们手机发射的微波信号和收音机的无线电波一样,光作为电磁波也同样可以承载很多信息。

  但为什么我们无法感知电磁波的存在,却可以看到光呢?这是因为微波等其他电磁波和可见光的波长(或者频率)并不相同,我们身边的可见光波长范围仅处于380nm750nm这一狭窄的范围内,这一范围外的所有电磁波都无法通过肉眼感知

  我们的整个通信网络和用户手上的各种终端除了对信息的传输有所需求,同样离不开信息的存储。当你把自拍照通过微信传递给亲友时,照片先通过WiFi或者运营商的无线网络进行传输,当它们到达对方的手机时,即便可能并没有被下载到相册,但其实已经储存在了手机的微信缓存中。

  这个简单的例子很好地反映了信息传输和存储的重要性。未来,当量子通信和量子计算机真正走向实用化的时候,如今的计算机和整个通信网络都要大洗牌,我们不得不重头开发与之相应的传输和存储技术。

  今天这篇文章不谈传输,主要来说说光和信息存储之间从现在到未来的种种纠葛。我们首先来看看传统的光存储介质,比如CDDVD、蓝光DVD是如何来存储信息的。

  

  光纤

  图片来源:TWENTY20.com

光盘如何存储信息?

  我们身边常见的CD-ROM等光盘就是一个典型的利用光进行信息存储的例子。首先通过激光烧制光盘背面的特殊材料在光盘上留下一个个”。这样在光驱读取光盘信息的时候,激光光斑会扫描光盘表面的指定位置,没有的地方就会明显地反射光,这种状态对应于电路中的”,记为1”;有的地方发生的反射不明显,对应电路中的“断”,记为0”。这样在扫描的过程中就可以得到一系列包含0”1”的信息串。通过这一原理,可以利用光对信息进行写入和读取。

  所以你有没有发现,我们日常生活中所说的光存储,其实并没有储存光本身,而是储存了一系列可以用光来读取的图案(信息)。那么,量子通信中的光存储技术又是怎么一回事儿呢?

  

  光盘表面呈现虹彩的原因就是微小构造产生的衍射。

  (图片来源:TWENTY20.com

此光存储非彼光存储:“冻结光的量子U

  通过“0”和“1”的方式获取信息,仅仅利用了光路的通断,光所包含的其他维度的信息(比如光的偏振、振幅、频率和相位等等)几乎完全被忽略。这就好比买了一法拉利专门用来买菜简直是大材小用。因此科学家不断地创新其他的方式,以期尽可能地利用光的多信息维度实现新奇有趣的应用。量子计算机技术中的量子U盘就可以利用光存储来实现。不过,这里的光存储跟上面说过的光盘可完完全全是两回事,我们可以称之为量子光存储。

  说起量子是很难用三言两语说清的此处大家只要知道两个基本知识点即可:量子世界和宏观世界是完全不同的两个世界;宏观中能够利用的原理到了量子世界就可能完全失效

  比如,很多人可能会说,既然我们能利用光来读取光盘上的信息,那把这套技术沿用到量子计算机不就好了吗?其实,利用光路的通断来存储和读取信息在量子世界里倒不是行不通,光路通断毕竟是光最最基本的属性。但仅仅依靠这一个性质是远远不够的,毕竟人类要想真正闯入量子世界,不使出十八般武艺可不行。单纯控制一个光路通断就好比你用手电筒给细菌打暗号,对方听着肯定有些懵懂

挑战前沿量子技术,人类必须无所不用其极

  有人可能会问,既然光存储在量子世界可能不好使,我们干嘛还要拼命开发相关技术呢?这其实是一个好问题,毕竟我们现在可不止有光存储这一种信息储存的手段,磁存储(例如传统硬盘)和电存储(例如U盘和SSD)在日常生活中同样处处可见。

  其实,光、电、磁在本质上有很多相似的地方,在实际的量子应用中也经常同时出现,我们并非放弃了利用电和磁作为量子存储手段的技术路线,事实上目前的各种量子存储基本上都是光电磁的综合运用。就像前面所说,进入量子计算机和量子通讯的世界需要人类全力以赴,各种能够用上的技术目前都处在火热的开发阶段。目前来看,量子光存储与量子计算有着良好的匹配度,发展前景突出。那么,量子光存储到底是如何实现的呢?

  说起信息的存储,那必然得有介质,磁带、磁盘、闪存甚至我们的大脑中,都存在着存储信息的介质(其实介质就是某种形态的物质)。我们不可能凭空保存信息,湿滑的地面会留下脚印,晒伤的皮肤会发红变黑,各种形式的信息都要通过介质留下自己的痕迹

  那么,光作为一种信息和介质间存在哪些交互呢?最简单的交互当然是介质对光路的遮挡,除此以外,还有介质对光的反射、折射以及干涉和衍射。不过在量子计算的世界里,光和介质还有很多神奇的交互方式。

  

  影子是光和物质交互时最常见的现象

  (图片来源:TWENTY20.com

风吹麦浪:当光进入介质,神奇的事情发生了

  首先,光和介质原子间可能会发生相互间状态的传递,这种传递的具体作用方式异常复杂,我们就不展开叙述了。不过,我们可以把这种状态传递想象为是风拂过麦田,麦子随风舞动。风和麦田之间就存在一种状态传递关系。风大麦子头就歪,相反,假如麦子头不太歪,那就说明风不太大。光经过原子,它们之间也会产生类似的联系,光的状态(其实就是光携带的信息)就会传递到原子身上。

  

  微风中的麦田

  (图片来源:TWENTY20.com

  其次,原子还能降低“光速”。注意,这里的光速带有引号,它并非是真正的光速,而是一个叫做“光的群速度”的概念。群速度是光在和介质交互过程中产生的一个现象,我们在这里仍然不准备展开讨论什么是群速度。不过大家可以设想下面的情景,快艇从水面飞速掠过,激起的涟漪从船尾向两侧缓缓铺开。光就好比是快艇,而涟漪就好比是群速度,介质就是水面。虽然快艇一骑绝尘眨眼不见,但水面上的阵阵涟漪却告诉我们它曾经来过。

  风吹麦浪和快艇飞驰的例子虽然可能并不完全精准,但它们很好地描绘了光与介质交互的过程中发生的物理图景——光能够在一个(和光速比)相对比较长的时间内把自己的状态(信息)传递给介质(在介质中储存较长的时间)

  

  快艇激起的涟漪

  图片来源:TWENTY20.com

  我们刚才说了介质其实就是物质,物质本质上都是原子组成的,理论上来说,光经过任何物质时都会发生上面描述的过程,这便是量子光存储所依赖的基本原理。需要注意的是,“存储”的并非是光本身,而是光的某些状态(或者说是性质),有点“雁过拔毛”的意思。

  但物质们的性质千差万别,它们和光作用后也并非都能产生十分明显的量子交互效应。所以,量子光存储所依赖的物质都非常特殊,本次郭院士团队采用的就是铕掺杂硅酸钇系综。相信光是这个名字就已经让读者头大了一圈,不过没关系,我们只要把系综理解成一团物质的集合就好。

  那么,铕掺杂硅酸钇系综到底有什么很牛的本领,能让量子光存储时间提升到了1小时的水平?

  

  光与铕掺杂硅酸钇系综发生交互的想象图

  (图片来源:TWENTY20.com

如何提高量子存储寿命?

  之前光虽然被科学家们用各种特殊的物质加上各种特殊的手段存储下来了,但存储寿命还很。因此设法提高光存储的寿命就成为了科学家们需要攻克的新目标。

  据了解,之前最接近实际使用的光存储器是潘建伟教授研究组基于铷原子系综的冷原子存储器,这一存储器实现了0.22秒的存储寿命和76%的存储效率但人们发现,基于固态系统,例如掺杂稀土的离子系统,可以提供更长的光存储寿命

  近期郭光灿院士团队在此方面取得了重要突破,他们量子光存储信息时间提升至1小时。这项研究刊登在《自然·通讯》杂志上。上面提到的铕掺杂硅酸钇的铕离子系可以很好地抵御环境中的磁场扰动,因此能够让量子光存储的稳定性大大提高

  量子光存储的寿命虽然仅仅提高到了1小时,但是这短暂的1小时却是量子通讯和量子计算机技术发展的一大步。

  参考文献:

  [1] 量子干涉及其在光存储中的应用. 郭弘, 科技导报 24 (0612), 15-20, 2006

  [2] https://www.zhihu.com/question/456553305/answer/1856375797

  [3] Yu Ma, You-Zhi Ma, Zong-Quan Zhou, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo, One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory, Nature communications 12 (1), 1-6, (2021)

  [4] Afzelius, M., Simon, C., de Riedmatten, H. & Gisin, N. Multimode quantum memory based on atomic frequency combs. Phys. Rev. A 79, 052329 (2009). 

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