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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)，和現(xiàn)有的光存儲(chǔ)技術(shù)是兩碼事。那么，常見的光盤如何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)？量子U盤又如何存儲(chǔ)光？我們?yōu)楹我獙?shí)現(xiàn)這種存儲(chǔ)？“留光”1小時(shí)的難度與意義何在？請(qǐng)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(hào)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(hào)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(duì)信息傳輸有所需求外，同樣離不開信息存儲(chǔ)。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(duì)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(chǔ)技術(shù)。
光盤是這樣存儲(chǔ)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(chǔ)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(huì)掃描光盤表面的指定位置，沒有“坑”的地方就會(huì)明顯地反射光。這種狀態(tài)對(duì)應(yīng)電路中的“通”，記為“1”。有“坑”的地方發(fā)生反射不明顯，對(duì)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(duì)信息進(jìn)行寫入和讀取。
所以，我們?nèi)粘Ｉ钪兴f的光存儲(chǔ)，其實(shí)并沒有儲(chǔ)存光本身，而是儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)來實(shí)現(xiàn)。
不過，這里的光存儲(chǔ)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(chǔ)”。
說起量子，很復(fù)雜。不過，我們只要知道兩個(gè)基本知識(shí)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(huì)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(chǔ)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(hào)，對(duì)方根本就不懂。
認(rèn)識(shí)一下量子光存儲(chǔ)
有人可能會(huì)問，既然光存儲(chǔ)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(chǔ)這一種信息儲(chǔ)存手段，磁存儲(chǔ)（例如傳統(tǒng)硬盤）和電存儲(chǔ)（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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
說起信息的存儲(chǔ)，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(chǔ)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(huì)留下腳印、曬傷的皮膚會(huì)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(duì)光路的遮擋。除此以外，還有介質(zhì)對(duì)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(huì)發(fā)生什么
首先，光和介質(zhì)原子間可能會(huì)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(huì)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(huì)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(hào)，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(huì)發(fā)生上面描述的過程，這便是量子光存儲(chǔ)所依賴的基本原理。
需要注意的是，“存儲(chǔ)”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(chǔ)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(chǔ)時(shí)間提升到了1小時(shí)的水平呢？
提高量子光存儲(chǔ)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(chǔ)”下來，但存儲(chǔ)壽命很短。因此，設(shè)法提高光存儲(chǔ)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(chǔ)器是潘建偉教授研究組基于銣原子系綜的冷原子存儲(chǔ)器，這一存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)了0.22秒的存儲(chǔ)壽命和76%的存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)的穩(wěn)定性。
量子光存儲(chǔ)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。