信息存储面临飞跃：量子硬盘不再遥远

存储器的功能就是把信息存储起来。信息的存储是是人类文明传递的重要手段，也是现代信息技术的一个核心环节。伴随着人类历史的发展，信息存储的介质也在不断变化。信息可以脱离人本身以文字等形式保存起来并传递下去。人们先后使用过石头雕刻、绳子打结、书本、磁盘、光盘等各种形式的存储器。现代数字信息处理是基于二进制计算机的，所以经典的存储器都是存储比特的，也就是存储两种经典状态之一：0或者1。大量比特的组合构成我们所需要的信息。经典存储器随处可见，包括电脑、手机内的内存、硬盘，以及便携式U盘等。

由经典信息走向量子信息的时代，量子存储器是必不可少的基础器件。对比经典存储器的功能，量子存储器应当是可以存储量子状态的。量子存储器在量子信息科学中具有许多重要的功能：

（1）建立大尺度量子网络。

量子网络是长程量子通信和分布式量子计算的载体，它可以基于量子纠缠建立起来。单个光子是量子纠缠、量子信息的理想载体，然而单个光子在光纤网络中传输面临指数级的损耗，单光子穿越100千米光纤的几率是百分之一，而穿越500千米光纤的几率则降至100亿分之一。一个典型的解决方案是量子中继，其基本思想是把大尺度网络分割成多段小尺度网络。比如500千米的量子纠缠传输可以分解为五段100千米的短程纠缠，在短程纠缠依次成功建立的条件下，再利用纠缠交换建立远程纠缠。大尺度量子网络要解决的核心问题就是高性能量子存储器的物理实现。

（2）构建量子计算机。

和经典计算机一样，通用量子计算机也需要量子存储器（内存）实现复杂的计算功能。依据具体计算芯片的不同，该存储器要存储相应的量子信息载体。以线性光学量子计算为例，多光子是一种基本的计算资源，可是直接产生多光子非常困难。存储器的寿命是产生光子所需要一次操作时间的100倍，那么就可以在存储器寿命范围内，做最大100次重复尝试发射光子直到成功，从而把一个P=1%几率的光子源转变为确定性光子源，并进一步获得多光子源。

（3）实现量子U盘。

以上提到的应用中量子存储器的寿命一般在秒量级及以下，存储器都是固定在某个地点配合光子来实现诸多功能。2015年，科学家发现稀土离子掺杂晶体的自旋态量子相干寿命长达6小时。这是量子系统相干寿命的最高水平，并且有望进一步提升至几天的量级。该结果对量子信息科学发展具有深远的影响。固态量子存储器的存储容量可达100个量子比特。这个容量已经远大于地球上所有经典存储器之和。

由于量子信息不可复制且不可放大，量子存储器在量子信息中的地位比经典存储器在经典信息中的地位更加重要。量子U盘研究当前面临的主要挑战是如何把单个光子高效率地存储进长寿命的自旋态中以及提高实际系统运输中的抗环境噪声能力。伴随以上研究的逐步推进，量子U盘有望率先进入实用环节。