数据恢复技术宅：什么是量子存储技术？

    随着半导体技术的飞速发展，摩尔定律即将失效，以微电子技术为基础的存储器件的发展已经走向了尽头，只有新兴的相变存储技术，可能会给存储器件的发展带来一些新意。而随着量子技术的发展，量子存储技术也在不断的进步。未来的世界是量子的世界，可能会像半导体集成电路取代电子管那样，彻底的取代微电子电路。现在就让我们踏上了解学习量子技术的康庄大道，跟上时代的步伐。

    下面，我们先来看看量子存储器，也许未来你要做数据恢复的就是这个由量子存储器构成的固态硬盘也说不准啊。量子存储器是量子信息领域的核心器件之一，是量子隐形传态、量子密集编码等基本量子信息过程的必需元件。它也可以解决远距离量子通信带来的信息损失，分布式量子计算以及量子测量精度。国际上常用的量子存储器，如冷原子、玻色-爱因斯坦凝聚等，存在带宽窄和扩展性差等缺点，难以应用于实用化的量子网络。近几年兴起的基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器，具有寿命长、稳定性高、带宽较宽、扩展性强等优点，但由于这种晶体有双折射效应，不能用光的偏振状态来加载信息，而光的各种偏振态是量子信息最方便的载体。因此，怎样实现光子偏振态的固态量子存储器是国际学术界一大难题。在提升存储寿命方面，中国的潘建伟小组在2008年发现原子团内的随机运动带来的自旋波乱相构成了限制毫秒级量子存储的主要物理机制，并通过延长自旋波波长的方式成功地提升存储寿命至1毫秒。在提升读出效率方面，相关研究结果表明，利用光腔增强的方式可以有效地提升读出效率。因此，如何将长寿命量子存储及腔增强量子存储这两部分的方法、技术相结合，是在冷原子系综体系内实现长寿命高效量子存储器的关键。

    2011 年，中国的李传锋小组利用两块1.4毫米厚的掺钕钒酸钇晶体，分别处理光的两种正交偏振态，同时把一片特殊设计的光学元件置于两块晶体之间，整个量子存储器就像一片很小的“三明治”，紧凑而稳定，扩展和集成都十分方便。在实验中，摈弃了传统的固态量子存储方案中使用的“共线式”光路，设计出交叉式光路，使待处理的泵浦光和光存储不能重合在一起，减少所造成的光泵噪声，从而极大地提高了存储器的保真度，可达99.9%，远高于此前单光子偏振存储95%的最高保真度，新颖地解决了在固态器件中存储偏振比特的重要问题。该成果对进一步提高实用化量子通信网络元件的小型化和集成化具有重要意义。同时，超高的保真度量子存储可用于苛刻的研究领域的容错量子计算。

图一：量子存储

    鉴于量子存储实际上是变种的光存储，所以我们先来看看光量子存储的原理。因为物质是由原子构成的，而原子在量子信息的存储方面有独特的优势，并且光又在量子信息等方面有着突出的应用。所以我们要了解光与原子的相互作用。因为光与原子的相互作用作为实现光量子信息存储的一个最基本的理论，需要满足一些特定的条件，这也就是光量子存储的物理机制。所以我们将通过光脉冲与单个二能级原子的相互作用对该物理机制进行描述。

    人类认识自然，了解自然，很重要的一个途径是通过光来实现的，而我们人类了解和认识光的过程却是非常坎坷复杂的。在众多科学家工作的基础上，我们知道了光其实是由一个一个的光子构成的，它具有波粒二象性。现如今，通过一些实验上的操作，我们不仅可以把光子一个一个的数出来，我们还发现，即使是单一的单光子，它也具有波动性。而现在许多的量子光学实验，比如多光子纠缠等还揭示了光具有其它奇特的性质。所以说，我们对光的认识还在一步一步的深化过程中。相比于光，原子的认识似乎要更明朗一些。它是由一个原子核和一些绕核运动的电子组成的，并且在它的内部还有着比较复杂的能级结构，但是却没有人真的见过它的“真实”面目。所以说，其实我们对原子的了解也并没有比光多到哪去。在这个时候我们对于光和原子的认识，往往需要把它们二者联系起来去研究，因为如果我们离开了原子，我们就无法获得光，而没有了光的存在，我们也就没办法研究原子了。

  光与原子的相互作用主要由吸收、自发辐射以及受激辐射组成。一个原子处于基态E1，如果它没有受到任何外来光子的作用，它会一直处于基态而保持不变，如图 2-1a所示。如果原子受到一个能量为hv21的光子作用，它就有可能吸收掉该光子进而提升自己的能量状态，如图 2-1b 所示。这样的话，本来处于基态的原子，由于受到该hv21的光子作用后，就会跃迁到激发态E2，如图2-1c所示。

从原子处于基态，到经过光子的作用，最后可以使原子跃迁到激发态，整个过程就是原子吸收的过程。当然，在原子吸收的过程中，并不是所有的光子都会被原子吸收，它必须满足光子所具有的能量hv等于原子能级的间隔E2-E1 ，只有满足这个条件，光子才会被原子吸收。

图2 吸收过程

  从经典力学的角度分析，如果一个物体的势能比较高，那么该物体将会是不稳定的。同理，如果一个原子处于势能比较高的激发态，那么该原子也将是不稳定的，所以它在激发态停留的时间就不会很长。实验验证，它的时间约为10-8 s的数量级，也就是我们通常讲的，激发态的寿命大约为10-8s 。原子在不受外界光子的作用下也会自发的释放出能量为hv21的光子，这就是自发辐射。因为自发辐射不受外界辐射场的影响，所以各个原子自发辐射产生的光子在相位、频率、传播及偏振方向上都是不确定的。而由于自发辐射产生的光是非相关的荧光，所以自发辐射产生的光场能量也会分布在一个很宽的频率范围内。

  如果处于激发态E2的原子受到外界光子的作用，使得它从高能级跃迁到低能级，并且还辐射出能量为两个能级差的光子，这个过程就是受激辐射，如图3所示。在受激辐射中，外界光子的能量要与原子的两个能级差相等，并且受激辐射所产生的光子在相位、频率、传播及偏振方向上与外界光子完全相同。

图3受激辐射

  如果我们想要实现光量子信息的存储，光与原子的相互作用就是一个最基本的理论。但是在光量子的存储过程中，光与原子的相互作用还需要满足两个额外的条件。第一，光与物质之间需要强耦合，也就是它们之间需要有较强的相互作用。因为光的传播速度是很快的，而我们现有的光量子存储器处于的是单光子量级的存储，所以如果光与原子的相互作用比较弱的话，它的存储效率会比较低。第二，光量子存储器的原子要能够很好的保持光子的相干性，也就是要减少原子的受热运动等，这样就可以更好的发挥光量子存储器的存储功能。

  上述描述，对光量子存储的基本理论做了一些铺垫，后续文章中将使用数学公式来进一步讲述光与原子的相互作用的机制及其量子存储应用。

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