據(jù)媒體報(bào)道，中國科學(xué)家郭光燦院士團(tuán)隊(duì)日前將光存儲時(shí)間提升至1小時(shí)，刷新了2013年德國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的光存儲1分鐘的世界紀(jì)錄，向?qū)崿F(xiàn)量子U盤邁出重要一步。
量子U盤技術(shù)中用到的光存儲，和現(xiàn)有的光存儲技術(shù)是兩碼事。那么，常見的光盤如何存儲數(shù)據(jù)？量子U盤又如何存儲光？我們?yōu)楹我獙?shí)現(xiàn)這種存儲？“留光”1小時(shí)的難度與意義何在？請看解讀。
光可照明也可傳遞信息
光，不僅可作為照明工具，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(wǎng)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(dāng)如此多變的信息媒介，在于光是一種電磁波。就像我們手機(jī)發(fā)射的微波信號和收音機(jī)的無線電波一樣，光作為電磁波也同樣可承載信息。
我們?yōu)楹螣o法感知電磁波的存在，卻可看到光呢？這是因?yàn)槲⒉ǖ绕渌姶挪ê涂梢姽獾牟ㄩL（或者頻率）并不相同。我們身邊的可見光波長范圍僅處于380～750納米這一狹窄范圍內(nèi)。這一范圍外的所有電磁波，都無法通過肉眼感知。
我們的整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)和用戶手中的各種終端，除了對信息傳輸有所需求外，同樣離不開信息存儲。當(dāng)你把自拍照通過微信傳遞給親友時(shí)，照片先通過WiFi或者運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，當(dāng)它們到達(dá)對方手機(jī)時(shí)，已存入手機(jī)的微信緩存中了。
未來，當(dāng)量子通信和量子計(jì)算機(jī)真正走向?qū)嵱没瘯r(shí)，如今的計(jì)算機(jī)和整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)都要“大洗牌”，我們不得不重新開發(fā)相應(yīng)的傳輸和存儲技術(shù)。
光盤是這樣存儲信息的
我們常見的CD-ROM等光盤，就是利用光進(jìn)行信息存儲的典型例子。
首先，通過激光燒制光盤背面的特殊材料，在光盤上留下一個(gè)個(gè)“坑”。在光驅(qū)讀取光盤信息時(shí)，激光光斑會掃描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(tài)對應(yīng)電路中的“通”，記為“1”。有“坑”的地方發(fā)生反射不明顯，對應(yīng)電路中的“斷”，記為“0”。這樣，在掃描過程中就能得到一系列包含“0”和“1”的信息串。通過這一原理，可利用光對信息進(jìn)行寫入和讀取。
所以，我們?nèi)粘Ｉ钪兴f的光存儲，其實(shí)并沒有儲存光本身，而是儲存了一系列可用光來讀取的圖案（信息）。
那么，量子通信中的光存儲技術(shù)又是怎么一回事呢？
用量子U盤“凍結(jié)”光
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信息（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跑車，專門用來買菜一樣，簡直是大材小用。
因此，科學(xué)家不斷創(chuàng)新其他方式，以期盡可能地利用光的多信息維度，實(shí)現(xiàn)新奇有趣的應(yīng)用。量子計(jì)算機(jī)技術(shù)中的量子U盤，就可利用光存儲來實(shí)現(xiàn)。
不過，這里的光存儲跟上面說過的光盤可完全是兩回事，我們可稱之為“量子光存儲”。
說起量子，很復(fù)雜。不過，我們只要知道兩個(gè)基本知識點(diǎn)即可：量子世界和宏觀世界是完全不同的兩個(gè)世界，宏觀世界中能利用的原理到了量子世界就可能完全失效。
很多人會問，既然我們能利用光來讀取光盤上的信息，那么把這套技術(shù)沿用到量子計(jì)算機(jī)不就可以了嗎？利用光路通斷來存儲和讀取信息，在量子世界里偏偏行不通，光路通斷畢竟是光最基本的屬性。單純控制一個(gè)光路通斷，就好比你用手電筒給細(xì)菌打暗號，對方根本就不懂。
認(rèn)識一下量子光存儲
有人可能會問，既然光存儲在量子世界可能不好使，我們?yōu)楹芜€要拼命開發(fā)相關(guān)技術(shù)呢？畢竟，現(xiàn)在并非只有光存儲這一種信息儲存手段，磁存儲（例如傳統(tǒng)硬盤）和電存儲（例如U盤和SSD）在我們工作生活中也十分常見。
其實(shí)，光、電、磁在本質(zhì)上有很多相似之處，各種量子存儲基本上都是光、電、磁的綜合運(yùn)用。就像前面所說，進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)和量子通信的世界，需要人類全力以赴，各種能用上的技術(shù)目前都處在火熱的開發(fā)階段。從目前來看，量子光存儲與量子計(jì)算有著良好的匹配度，發(fā)展前景遠(yuǎn)大。
那么，量子光存儲到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
說起信息的存儲，那必然得有介質(zhì)。磁帶、磁盤、閃存甚至在我們的大腦中，都存在著存儲信息的介質(zhì)（即某種形態(tài)的物質(zhì)）。我們不可能憑空保存信息，就像濕滑的地面會留下腳印、曬傷的皮膚會發(fā)紅變黑一樣，各種形式的信息都要通過介質(zhì)來留下痕跡。
光作為一種信息，與介質(zhì)之間存在哪些交互呢？最簡單的交互，當(dāng)然是介質(zhì)對光路的遮擋。除此以外，還有介質(zhì)對光的反射、折射以及干涉和衍射。當(dāng)然了，在量子計(jì)算的世界里，光與介質(zhì)之間還有更多神奇的交互方式。
光進(jìn)入介質(zhì)會發(fā)生什么
首先，光和介質(zhì)原子間可能會發(fā)生相互間狀態(tài)的傳遞，這種傳遞的具體作用方式異常復(fù)雜。我們可把這種狀態(tài)傳遞想象為風(fēng)拂過麥田，麥子隨風(fēng)舞動(dòng)。風(fēng)和麥田之間就存在一種狀態(tài)傳遞關(guān)系。風(fēng)越大，麥子就越傾斜；相反，麥子不太傾斜，那就說明風(fēng)不太大。光經(jīng)過原子，它們之間也會產(chǎn)生類似的聯(lián)系，光的狀態(tài)（其實(shí)就是光攜帶的信息）就會傳遞到原子上。
其次，原子還能降低“光速”。注意，這里的光速帶有引號，它并非真正的光速，而是一個(gè)叫作“光的群速度”概念。光的群速度是光在和介質(zhì)交互過程中產(chǎn)生的一個(gè)現(xiàn)象。大家可設(shè)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(cè)緩緩散開。光就好比是快艇，而漣漪就好比是群速度，介質(zhì)就是水面。雖然快艇一騎絕塵眨眼不見，水面上的陣陣漣漪卻告訴我們它曾經(jīng)來過。
風(fēng)吹麥浪和快艇飛馳的例子雖然并不完全精準(zhǔn)，但它們很好地描繪了光與介質(zhì)交互過程中發(fā)生的物理圖景——光能在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，把自己的信息傳遞給介質(zhì)。
如上面所說，介質(zhì)其實(shí)就是物質(zhì)，物質(zhì)本質(zhì)上都是由原子組成的。理論上來說，光經(jīng)過任何物質(zhì)時(shí)都會發(fā)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”的并非是光本身，而是光的某些狀態(tài)，有點(diǎn)“雁過拔毛”的意思。
但不同物質(zhì)性質(zhì)千差萬別，它們和光作用后也并非都能產(chǎn)生十分明顯的量子交互效應(yīng)。所以，量子光存儲所依賴的物質(zhì)都非常特殊。如本次郭院士團(tuán)隊(duì)采用的就是銪摻雜硅酸釔系綜。我們把這個(gè)“系綜”理解成一團(tuán)物質(zhì)的集合即可。
那么，銪摻雜硅酸釔系綜到底有何“牛”的本領(lǐng)，能讓量子光存儲時(shí)間提升到了1小時(shí)的水平呢？
提高量子光存儲的壽命
之前，光雖然被科學(xué)家們用各種特殊的物質(zhì)加上各種特殊的手段“存儲”下來，但存儲壽命很短。因此，設(shè)法提高光存儲的壽命就成了科學(xué)家們需要攻克的新目標(biāo)。
據(jù)公開報(bào)道，之前最接近實(shí)際使用的光存儲器是潘建偉教授研究組基于銣原子系綜的冷原子存儲器，這一存儲器實(shí)現(xiàn)了0.22秒的存儲壽命和76%的存儲效率。但人們發(fā)現(xiàn)，基于固態(tài)系統(tǒng)，例如摻雜稀土的離子系統(tǒng)，可以提供更長的光存儲壽命。
近期，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)就在此方面取得了重要突破，他們將量子光存儲信息時(shí)間提升至1小時(shí)。上面提到的銪摻雜硅酸釔系綜，存在一個(gè)銪離子系統(tǒng)，可很好地抵御環(huán)境中的磁場擾動(dòng)，因此能大大提升量子光存儲的穩(wěn)定性。
量子光存儲的壽命雖然僅僅提升到了1小時(shí)，但這短暫的1小時(shí)是量子通信和量子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一大步。