「簡單來說，我們就是用一塊晶體把光『存起來』，一個小時后取出來發現，它的相位、偏振等狀態信息還保存得很好。」

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。在量子通信領域，我們也需要一種存儲器。但這種存儲器比較特殊，因為它需要存儲的是光。

科學家管這種存儲器叫「量子U盤」。

為什么需要「量子U盤」？在量子通信中，單個光子在光纖網絡中傳輸面臨指數級的損耗：穿越100千米光纖的幾率是百分之一，穿越500千米光纖的幾率降至100億分之一。這使得遠程量子通信難以實現。因此，科學家們就想了一種方法：把光子保存起來，通過運輸U盤來傳輸量子信息。

有了量子U盤，我們就可以把單個光子存進去，并且在存儲壽命范圍內，利用汽車、高鐵、飛機等運輸工具把它運輸到任意指定地點。

但這種做法有很大的難度。光在真空中的傳播速度大約是30萬公里/秒，要造一個「量子U盤」，我們就需要讓光「慢下來」。考慮到飛機和高鐵等運輸工具的速度，量子U盤的光存儲時間需要達到小時量級才有實用價值。

近日，中國科學技術大學的李傳鋒、周宗權研究組（郭光燦院士團隊）在這一方面取得突破，將光存儲時間提升至1小時，大幅刷新了8年前德國團隊創造的1分鐘的世界紀錄，向實現量子U盤邁出重要一步。相關研究登上了《自然·通訊》期刊。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y

論文第一作者是中科院量子信息重點實驗室博士研究生馬鈺。審稿人認為，「該工作是一項巨大的成就」。

「簡單來說，我們就是用一塊晶體把光『存起來』，一個小時后取出來發現，它的相位、偏振等狀態信息還保存得很好。」李傳鋒說。

光的狀態信息很容易消失，這個研究大大延長了保存的時間，也因此有望催生一系列創新應用。比如，將兩臺相距較遠的望遠鏡捕捉到的光，保存后放到一起進行「干涉」處理，可以突破單個望遠鏡的尺寸局限，大幅提升觀測的精度。

量子U盤對構建全球量子通信網具有重要意義。李傳鋒介紹，為實現量子U盤，不僅要高精度的「留住光」，還要提升信噪比，這也是他們下一步努力的方向。

量子U盤有什么用？

現代數字信息處理是基于二進制計算機的，所以經典的存儲器都是存儲比特的，也就是存儲兩種經典狀態之一：0或者1。大量比特的組合構成我們所需要的信息。計算機內存、硬盤、傳統U盤都屬于經典的存儲器。

由經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器件。對比經典存儲器的功能，量子存儲器應當是可以存儲量子狀態的，也就是|0?和|1?的任意量子疊加狀態。量子存儲器在量子信息科學中具有許多重要功能，包括建立大尺度量子網絡、構建量子計算機等。

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諸多功能。2015年，科學家發現稀土離子摻雜晶體的自旋態量子相干壽命長達6小時。這是量子系統相干壽命的最高水平，并且有望進一步提升至幾天的量級。該結果對量子信息科學發展具有深遠的影響。

一旦有了量子U盤，我們就可以把單個光子存進去，并且在存儲壽命范圍內利用運輸工具把它運輸到任意指定地點。這是一種革命性的量子通信方案，因為它原則上可以實現對量子糾纏物體的經典搬運。量子通信將不再依賴光纖布網，任何經典交通工具能到達的地方，量子U盤攜帶量子糾纏就能到達。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，有望在身份認證、簽名、量子密碼、量子信息共享等各領域取得應用。

如何「留光」一小時

將相干光的存儲時間盡可能延長是制造量子U盤的關鍵。關于稀土離子摻雜晶體的發現讓人們看到了長壽命光存儲的希望，但由于對該材料的能級結構缺乏了解，科學家一直未能實現長壽命光存儲。

李傳鋒、周宗權研究組長期致力于基于稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲實驗研究。研究組2015年自制光學拉曼外差探測核磁共振譜儀，專門用于稀土離子摻雜晶體的能級結構分析。依托該儀器，研究組精確刻畫了摻銪硅酸釔晶體光學躍遷的完整哈密頓量，并在理論上預測了ZEFOZ磁場下的能級結構[Journal of Luminescence 802, 32 (2018)]。

近期，課題組結合理論預言首次實驗測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下的完整能級結構。在此基礎上，研究組結合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案以及ZEFOZ技術，成功實現了光信號的長壽命存儲。

存儲方案示意圖，信號光場（probe）被梳狀的原子吸收譜吸收，并被控制光場（control）存儲為自旋激發，在射頻（RF）場的操控下延長存儲時間，最終讀取為光信號。

實驗中，光信號首先被AFC吸收成為銪離子系綜的光學激發，接著被轉移為自旋激發，經歷一系列自旋保護脈沖操作后，最終被讀取為光信號，總存儲時間長達1小時。通過加載相位編碼，實驗證實在經歷了1個小時存儲后，光的相位存儲保真度高達96.4 ± 2.5%。

讀出光脈沖信號強度與存儲時間的關系。

這些結果表明該裝置具有極強的相干光存儲能力以及用于量子態存儲的潛力。

2020中國創新指數排名全球第14，量子科技成就突出

《2020年全球創新指數（GII）報告》顯示，在全球131個經濟體中，中國保持在全球創新指數榜單第14名。近年來，中國的這一排名迅速攀升，其中量子科技領域的創新成就尤為突出。

2017年8月，由我國完全自主研制的世界上第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」在國際上首次成功實現了千公里級的星地雙向量子通信，標志著中國量子通信技術達到全面領先地位。2020年12月，中國量子計算原型機「九章」問世，使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。

2020年8月，郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得了重要進展，該團隊李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，首次實現了高保真度32維量子糾纏態。此次郭光燦院士團隊在光量子存儲領域取得的突破將是我國量子科技領域又一重要進展。

參考鏈接：

https://physics.ustc.edu.cn/2020/0902/c3542a447972/page.htm

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1698013882347816988&wfr=spider&for=pc

http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/764