中国的量子存储器成果，将使攻破2048位RSA密码更近一步

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量子计算机一个重要的应用是攻破经典密码。以往的研究表明，攻破广泛使用的2048位RSA密码所需要的量子比特数目在2000万左右，远远超出了目前的技术水平。近期，法国国家科学中心的研究人员在《物理评论快报》上发表论文[1]，证明使用配备量子存储器的量子计算机，可以大幅度地降低量子计算机对物理量子比特数目的需求。

理论分析表明，这种量子存储式量子计算机求解2048位RSA密码需要1.3万个物理量子比特和177天的时间。对比前人的结果，这个方案降低量子计算机的物理比特数目需求达3个量级，进一步逼近了目前的技术水平。

这一研究把量子存储器的应用推广到了量子计算领域，为研制实用化量子计算机提供了一条新的技术路线。然而，法国团队的方案对量子存储模式数和寿命的需求较为苛刻。其额外的代价是需要2800万空间模式和45个时间模式的量子存储器，且存储时间约为2小时。量子存储式量子计算机需要微波段的量子存储器，这是目前亟待开发的新技术。

1月26日，中国科学技术大学的90后副教授周宗权在《物理学报》上发文[2]称，2021年郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组在《自然·通讯》中[3]提出了无噪声光子回波方案(noiseless photon echo, 简称NLPE)，解决了光子回波的自发辐射噪声难题，有望进一步实现微波段量子存储并应用于量子存储式量子计算机中。

李传锋教授(前)和周宗权副教授(后)

研究团队在Eu:YSO晶体中执行了光波段的NLPE实验演示[3]，成功观察到单光子的光子回波且信噪比超过42.5±7.5，并实现了time-bin量子比特的存储。在掺Eu材料中，NLPE取得的存储效率和信噪比相比此前唯一可用的原子频率梳方案[4]获得了超过四倍的提升。

NLPE方案完整利用了介质的原始吸收带，故有望成为量子U盘应用的有效存储方案。由于NLPE方案无需裁剪原子吸收带，与标准光子回波一样易于执行，故也有望成为微波段量子存储的有效方案，在量子存储式量子计算机中取得应用。

周宗权解释说，此前，有关量子存储器的研究主要聚焦于量子通信领域的应用，例如，基于多模式量子存储建立量子中继，从而构建远程的量子互联网，或者是基于超长寿命量子存储实现可移动的量子U盘。而法国团队的这一成果定量地展现了量子存储器在量子计算机中的价值，成功推广了量子存储器的应用范围。

但法国团队的工作目前还没有考虑存储装置的效率、噪声和相干寿命等问题，这些在实验上也是比较重大的挑战。匹配多模式量子存储器的量子计算机是否会比不带量子存储的更大规模量子计算机更容易研制？这个问题目前人们并没有完全确定的答案，但法国团队的工作为实用化量子计算机的研制提供了一条可行的技术路线，有待人们去进一步探索。

然而，这条技术路线面临的一项重大挑战在于微波段量子存储至今还没有在任何物质系统中实现过。李传锋、周宗权研究组的理论分析和光波段的实验已经证明NLPE是一种有效的量子存储方案，这一方案在微波段的实际表现也有待实验上的进一步探索。

参考文献：

[1]Gouzien E and Sangouard N, 2021 Phys. Rev. Lett. 127 140503

[2]“Quantum Memory” Quantum Computers and Noiseless Phton Echoes. Acta Phys. Sin.. doi: 10.7498/aps.71.20212245

[3]Ma YZ, et al., 2021 Nature Communications 12 4378

[4]Jobez P, et al., 2015, Phys. Rev. Lett. 114 230502

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