“留光” 1小時!中國科學家刷新世界紀錄
2021年06月10日10:30

  近期,中國科學家郭光燦院士團隊將光存儲時間提升至1小時,刷新了2013年德國科學家團隊創造的1分鐘的世界紀錄,向實現量子U盤邁出重要一步。

  量子U盤技術中用到的光存儲和現有的光存儲技術完全是兩碼事,它們的原理和實現難度差了不止十萬八千里。

  那麼,常見的光盤如何存儲數據?量子U盤又如何“存儲”光?我們為什麼要實現這種存儲?“留”光一小時的難度與意義在何處?

  這篇文章將用最通俗形象的比喻揭開這些問題的答案,讓你直達人類科技水平的邊界。

  Part.1 既可照明也可傳遞信息的光

  光,不僅可以作為照明工具,也是重要的信息媒介。作為重要指示信號的紅綠燈和日常上網用的光纖,它們都是最常見的用光來傳輸信息的例子。光之所以能充當如此多變的信息媒介,本質上是因為光是一種電磁波。就像是我們手機發射的微波信號和收音機的無線電波一樣,光作為電磁波也同樣可以承載很多信息。

  但為什麼我們無法感知電磁波的存在,卻可以看到光呢?這是因為微波等其他電磁波和可見光的波長(或者頻率)並不相同,我們身邊的可見光波長範圍僅處於380nm到750nm這一狹窄的範圍內,而這一範圍外的所有電磁波都無法通過肉眼感知。

  我們的整個通信網絡和用戶手上的各種終端除了對信息的傳輸有所需求,同樣離不開信息的存儲。當你把自拍照通過微信傳遞給親友時,照片先通過WiFi或者運營商的無線網絡進行傳輸,當它們到達對方的手機時,即便可能並沒有被下載到相冊,但其實已經儲存在了手機的微信緩存中。

  這個簡單的例子很好地反映了信息傳輸和存儲的重要性。未來,當量子通信和量子計算機真正走向實用化的時候,如今的計算機和整個通信網絡都要大洗牌,我們不得不重頭開發與之相應的傳輸和存儲技術。

  今天這篇文章不談傳輸,主要來說說光和信息存儲之間從現在到未來的種種糾葛。我們首先來看看傳統的光存儲介質,比如CD、DVD、藍光DVD是如何來存儲信息的。

  光纖

  (圖片來源:TWENTY20.com)

  Part.2 光盤如何存儲信息?

  我們身邊常見的CD-ROM等光盤就是一個典型的利用光進行信息存儲的例子。首先通過激光燒製光盤背面的特殊材料,在光盤上留下一個個“坑”。這樣在光驅讀取光盤信息的時候,激光光斑會掃瞄光盤表面的指定位置,沒有“坑”的地方就會明顯地反射光,這種狀態對應於電路中的“通”,記為“1”;有“坑”的地方發生的反射不明顯,對應電路中的“斷”,記為“0”。這樣在掃瞄的過程中就可以得到一系列包含“0”和“1”的信息串。通過這一原理,可以利用光對信息進行寫入和讀取。

  所以你有沒有發現,我們日常生活中所說的光存儲,其實並沒有儲存光本身,而是儲存了一系列可以用光來讀取的圖案(信息)。那麼,量子通信中的光存儲技術又是怎麼一回事兒呢?

  光盤表面呈現虹彩的原因就是微小構造產生的衍射。

  (圖片來源:TWENTY20.com)

  Part.3 此光存儲非彼光存儲:“凍結”光的量子U盤

  通過“0”和“1”的方式獲取信息,僅僅利用了光路的通斷,光所包含的其他維度的信息(比如光的偏振、振幅、頻率和相位等等)幾乎完全被忽略。這就好比買了一輛法拉利卻專門用來買菜,簡直是大材小用。因此科學家不斷地創新其他的方式,以期儘可能地利用光的多信息維度實現新奇有趣的應用。量子計算機技術中的量子U盤就可以利用光存儲來實現。不過,這裏的光存儲跟上面說過的光盤可完完全全是兩回事,我們可以稱之為量子光存儲。

  說起量子,是很難用三言兩語說清的,此處大家只要知道兩個基本知識點即可:量子世界和宏觀世界是完全不同的兩個世界;宏觀中能夠利用的原理到了量子世界就可能完全失效。

  比如,很多人可能會說,既然我們能利用光來讀取光盤上的信息,那把這套技術沿用到量子計算機不就好了嗎?其實,利用光路的通斷來存儲和讀取信息在量子世界里倒不是行不通,光路通斷畢竟是光最最基本的屬性。但僅僅依靠這一個性質是遠遠不夠的,畢竟人類要想真正闖入量子世界,不使出十八般武藝可不行。單純控制一個光路通斷就好比你用手電筒給細菌打暗號,對方聽著肯定有些懵懂。

  Part.4 挑戰前沿量子技術,人類必須無所不用其極

  有人可能會問,既然光存儲在量子世界可能不好使,我們幹嘛還要拚命開發相關技術呢?這其實是一個好問題,畢竟我們現在可不止有光存儲這一種信息儲存的手段,磁存儲(例如傳統硬盤)和電存儲(例如U盤和SSD)在日常生活中同樣處處可見。

  其實,光、電、磁在本質上有很多相似的地方,在實際的量子應用中也經常同時出現,我們並非放棄了利用電和磁作為量子存儲手段的技術路線,事實上目前的各種量子存儲基本上都是光電磁的綜合運用。就像前面所說,進入量子計算機和量子通訊的世界需要人類全力以赴,各種能夠用上的技術目前都處在火熱的開發階段。目前來看,量子光存儲與量子計算有著良好的匹配度,發展前景突出。那麼,量子光存儲到底是如何實現的呢?

  說起信息的存儲,那必然得有介質,磁帶、磁盤、閃存甚至我們的大腦中,都存在著存儲信息的介質(其實介質就是某種形態的物質)。我們不可能憑空保存信息,濕滑的地面會留下腳印,曬傷的皮膚會發紅變黑,各種形式的信息都要通過介質留下自己的痕跡。

  那麼,光作為一種信息和介質之間存在哪些交互呢?最簡單的交互當然是介質對光路的遮擋,除此以外,還有介質對光的反射、折射以及干涉和衍射。不過在量子計算的世界里,光和介質還有很多神奇的交互方式。

  影子是光和物質交互時最常見的現象

  (圖片來源:TWENTY20.com)

  Part.5 風吹麥浪:當光進入介質,神奇的事情發生了

  首先,光和介質原子間可能會發生相互間狀態的傳遞,這種傳遞的具體作用方式異常複雜,我們就不展開敘述了。不過,我們可以把這種狀態傳遞想像為是風拂過麥田,麥子隨風舞動。風和麥田之間就存在一種狀態傳遞關係。風大麥子頭就歪,相反,假如麥子頭不太歪,那就說明風不太大。光經過原子,它們之間也會產生類似的聯繫,光的狀態(其實就是光攜帶的信息)就會傳遞到原子身上。

  微風中的麥田

  (圖片來源:TWENTY20.com)

  其次,原子還能降低“光速”。注意,這裏的光速帶有引號,它並非是真正的光速,而是一個叫做“光的群速度”的概念。群速度是光在和介質交互過程中產生的一個現象,我們在這裏仍然不準備展開討論什麼是群速度。不過大家可以設想下面的情景,快艇從水面飛速掠過,激起的漣漪從船尾向兩側緩緩鋪開。光就好比是快艇,而漣漪就好比是群速度,介質就是水面。雖然快艇一騎絕塵眨眼不見,但水面上的陣陣漣漪卻告訴我們它曾經來過。

  風吹麥浪和快艇飛馳的例子雖然可能並不完全精準,但它們很好地描繪了光與介質交互的過程中發生的物理圖景——光能夠在一個(和光速比)相對比較長的時間內把自己的狀態(信息)傳遞給介質(在介質中儲存較長的時間)。

  快艇激起的漣漪

  (圖片來源:TWENTY20.com)

  我們剛才說了介質其實就是物質,物質本質上都是原子組成的,理論上來說,光經過任何物質時都會發生上面描述的過程,這便是量子光存儲所依賴的基本原理。需要注意的是,“存儲”的並非是光本身,而是光的某些狀態(或者說是性質),有點“雁過拔毛”的意思。

  但物質們的性質千差萬別,它們和光作用後也並非都能產生十分明顯的量子交互效應。所以,量子光存儲所依賴的物質都非常特殊,本次郭院士團隊採用的就是銪摻雜矽酸釔系綜。相信光是這個名字就已經讓讀者頭大了一圈,不過沒關係,我們只要把系綜理解成一團物質的集合就好。

  那麼,銪摻雜矽酸釔系綜到底有什麼很牛的本領,能讓量子光存儲時間提升到了1小時的水平?

  光與銪摻雜矽酸釔系綜發生交互的想像圖

  (圖片來源:TWENTY20.com)

  Part.6 如何提高量子光存儲的壽命?

  之前,光雖然被科學家們用各種特殊的物質加上各種特殊的手段“存儲”下來了,但存儲壽命還很短。因此設法提高光存儲的壽命就成為了科學家們需要攻克的新目標。

  據瞭解,之前最接近實際使用的光存儲器是潘建偉教授研究組基於銣原子系綜的冷原子存儲器,這一存儲器實現了0.22秒的存儲壽命和76%的存儲效率。但人們發現,基於固態系統,例如摻雜稀土的離子系統,可以提供更長的光存儲壽命。

  近期郭光燦院士團隊就在此方面取得了重要突破,他們將量子光存儲信息時間提升至1小時。這項研究也被刊登在了《自然·通訊》雜誌上。上面提到的銪摻雜矽酸釔的銪離子系統可以很好地抵禦環境中的磁場擾動,因此能夠讓量子光存儲的穩定性大大提高。

  量子光存儲的壽命雖然僅僅提高到了1小時,但是這短暫的1小時卻是量子通訊和量子計算機技術發展的一大步。

  參考文獻:

  [1] 量子干涉及其在光存儲中的應用。 郭弘, 科技導報 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)。

  出品:科普中國

  製作:李瑞

  監製:中國科學院計算機網絡信息中心

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