原标题：“留光”一小时意味着什么

光与铕掺杂硅酸钇系综发生交互的留光想象图。

中国科学家郭光灿院士团队日前将光存储时间提升至1小时，意味刷新了2013年德国科学家团队创造的留光光存储1分钟的世界纪录，向实现量子U盘迈出重要一步。意味

量子U盘技术中用到的留光光存储，和现有的意味光存储技术是两码事。那么，留光常见的意味光盘如何存储数据？量子U盘又如何存储光？我们为何要实现这种存储？“留光”1小时的难度与意义何在？请看解读。

光可照明也可传递信息

光，留光不仅可作为照明工具，意味也是留光重要的信息媒介。作为重要指示信号的意味红绿灯和日常上网用的光纤，它们都是留光最常见的用光来传输信息的例子。

光之所以能充当如此多变的意味信息媒介，在于光是留光一种电磁波。就像我们手机发射的微波信号和收音机的无线电波一样，光作为电磁波也同样可承载信息。

我们为何无法感知电磁波的存在，却可看到光呢？这是因为微波等其他电磁波和可见光的波长（或者频率）并不相同。我们身边的可见光波长范围仅处于380～750纳米这一狭窄范围内。这一范围外的所有电磁波，都无法通过肉眼感知。

我们的整个通信网络和用户手中的各种终端，除了对信息传输有所需求外，同样离不开信息存储。当你把自拍照通过微信传递给亲友时，照片先通过WiFi或者运营商的无线网络进行传输，当它们到达对方手机时，已存入手机的微信缓存中了。

未来，当量子通信和量子计算机真正走向实用化时，如今的计算机和整个通信网络都要“大洗牌”，我们不得不重新开发相应的传输和存储技术。

光盘是这样存储信息的

我们常见的CD-ROM等光盘，就是利用光进行信息存储的典型例子。

首先，通过激光烧制光盘背面的特殊材料，在光盘上留下一个个“坑”。在光驱读取光盘信息时，激光光斑会扫描光盘表面的指定位置，没有“坑”的地方就会明显地反射光。这种状态对应电路中的“通”，记为“1”。有“坑”的地方发生反射不明显，对应电路中的“断”，记为“0”。这样，在扫描过程中就能得到一系列包含“0”和“1”的信息串。通过这一原理，可利用光对信息进行写入和读取。

所以，我们日常生活中所说的光存储，其实并没有储存光本身，而是储存了一系列可用光来读取的图案（信息）。

那么，量子通信中的光存储技术又是怎么一回事呢？

用量子U盘“冻结”光

通过“0”和“1”的方式获取信息，仅仅利用了光路的通断，光所包含的其他维度信息（如光的偏振、振幅、频率和相位等等）几乎完全被忽略。这就好比买了一辆法拉利跑车，专门用来买菜一样，简直是大材小用。

因此，科学家不断创新其他方式，以期尽可能地利用光的多信息维度，实现新奇有趣的应用。量子计算机技术中的量子U盘，就可利用光存储来实现。

不过，这里的光存储跟上面说过的光盘可完全是两回事，我们可称之为“量子光存储”。

说起量子，很复杂。不过，我们只要知道两个基本知识点即可：量子世界和宏观世界是完全不同的两个世界，宏观世界中能利用的原理到了量子世界就可能完全失效。

很多人会问，既然我们能利用光来读取光盘上的信息，那么把这套技术沿用到量子计算机不就可以了吗？利用光路通断来存储和读取信息，在量子世界里偏偏行不通，光路通断毕竟是光最基本的属性。单纯控制一个光路通断，就好比你用手电筒给细菌打暗号，对方根本就不懂。

认识一下量子光存储

有人可能会问，既然光存储在量子世界可能不好使，我们为何还要拼命开发相关技术呢？毕竟，现在并非只有光存储这一种信息储存手段，磁存储（例如传统硬盘）和电存储（例如U盘和SSD）在我们工作生活中也十分常见。

其实，光、电、磁在本质上有很多相似之处，各种量子存储基本上都是光、电、磁的综合运用。就像前面所说，进入量子计算机和量子通信的世界，需要人类全力以赴，各种能用上的技术目前都处在火热的开发阶段。从目前来看，量子光存储与量子计算有着良好的匹配度，发展前景远大。

那么，量子光存储到底是如何实现的呢？

说起信息的存储，那必然得有介质。磁带、磁盘、闪存甚至在我们的大脑中，都存在着存储信息的介质（即某种形态的物质）。我们不可能凭空保存信息，就像湿滑的地面会留下脚印、晒伤的皮肤会发红变黑一样，各种形式的信息都要通过介质来留下痕迹。

光作为一种信息，与介质之间存在哪些交互呢？最简单的交互，当然是介质对光路的遮挡。除此以外，还有介质对光的反射、折射以及干涉和衍射。当然了，在量子计算的世界里，光与介质之间还有更多神奇的交互方式。

光进入介质会发生什么

首先，光和介质原子间可能会发生相互间状态的传递，这种传递的具体作用方式异常复杂。我们可把这种状态传递想象为风拂过麦田，麦子随风舞动。风和麦田之间就存在一种状态传递关系。风越大，麦子就越倾斜；相反，麦子不太倾斜，那就说明风不太大。光经过原子，它们之间也会产生类似的联系，光的状态（其实就是光携带的信息）就会传递到原子上。

其次，原子还能降低“光速”。注意，这里的光速带有引号，它并非真正的光速，而是一个叫作“光的群速度”概念。光的群速度是光在和介质交互过程中产生的一个现象。大家可设想下面的情景：快艇从水面飞速掠过，激起的涟漪从船尾向两侧缓缓散开。光就好比是快艇，而涟漪就好比是群速度，介质就是水面。虽然快艇一骑绝尘眨眼不见，水面上的阵阵涟漪却告诉我们它曾经来过。

风吹麦浪和快艇飞驰的例子虽然并不完全精准，但它们很好地描绘了光与介质交互过程中发生的物理图景——光能在一个时间段内，把自己的信息传递给介质。

如上面所说，介质其实就是物质，物质本质上都是由原子组成的。理论上来说，光经过任何物质时都会发生上面描述的过程，这便是量子光存储所依赖的基本原理。

需要注意的是，“存储”的并非是光本身，而是光的某些状态，有点“雁过拔毛”的意思。

但不同物质性质千差万别，它们和光作用后也并非都能产生十分明显的量子交互效应。所以，量子光存储所依赖的物质都非常特殊。如本次郭院士团队采用的就是铕掺杂硅酸钇系综。我们把这个“系综”理解成一团物质的集合即可。

那么，铕掺杂硅酸钇系综到底有何“牛”的本领，能让量子光存储时间提升到了1小时的水平呢？

提高量子光存储的寿命

之前，光虽然被科学家们用各种特殊的物质加上各种特殊的手段“存储”下来，但存储寿命很短。因此，设法提高光存储的寿命就成了科学家们需要攻克的新目标。

之前最接近实际使用的光存储器是潘建伟教授研究组基于铷原子系综的冷原子存储器，这一存储器实现了0.22秒的存储寿命和76%的存储效率。但人们发现，基于固态系统，例如掺杂稀土的离子系统，可以提供更长的光存储寿命。

近期，郭光灿院士团队就在此方面取得了重要突破，他们将量子光存储信息时间提升至1小时。上面提到的铕掺杂硅酸钇系综，存在一个铕离子系统，可很好地抵御环境中的磁场扰动，因此能大大提升量子光存储的稳定性。

量子光存储的寿命虽然仅仅提升到了1小时，但这短暂的1小时是量子通信和量子计算机技术发展的一大步。（■李　　瑞）

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