數據恢復技術宅：什麼是量子存儲技術？
隨著半導體技術的飛速發展，摩爾定律即將失效，以微電子技術為基礎的存儲器件的發展已經走向了盡頭，只有新興的相變存儲技術，可能會給存儲器件的發展帶來一些新意。而隨著量子技術的發展，量子存儲技術也在不斷的進步。未來的世界是量子的世界，可能會像半導體集成電路取代電子管那樣，徹底的取代微電子電路。現在就讓我們踏上了解學習量子技術的康庄大道，跟上時代的步伐。
下面，我們先來看看量子存儲器，也許未來你要做數據恢復的就是這個由量子存儲器構成的固態硬碟也說不準啊。量子存儲器是量子信息領域的核心器件之一，是量子隱形傳態、量子密集編碼等基本量子信息過程的必需元件。它也可以解決遠距離量子通信帶來的信息損失，分布式量子計算以及量子測量精度。國際上常用的量子存儲器，如冷原子、玻色-愛因斯坦凝聚等，存在帶寬窄和擴展性差等缺點，難以應用於實用化的量子網路。近幾年興起的基於稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲器，具有壽命長、穩定性高、帶寬較寬、擴展性強等優點，但由於這種晶體有雙折射效應，不能用光的偏振狀態來載入信息，而光的各種偏振態是量子信息最方便的載體。因此，怎樣實現光子偏振態的固態量子存儲器是國際學術界一大難題。在提升存儲壽命方面，中國的潘建偉小組在2008年發現原子團內的隨機運動帶來的自旋波亂相構成了限制毫秒級量子存儲的主要物理機制，並通過延長自旋波波長的方式成功地提升存儲壽命至1毫秒。在提升讀出效率方面，相關研究結果表明，利用光腔增強的方式可以有效地提升讀出效率。因此，如何將長壽命量子存儲及腔增強量子存儲這兩部分的方法、技術相結合，是在冷原子系綜體系內實現長壽命高效量子存儲器的關鍵。
2011 年，中國的李傳鋒小組利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態，同時把一片特殊設計的光學元件置於兩塊晶體之間，整個量子存儲器就像一片很小的「三明治」，緊湊而穩定，擴展和集成都十分方便。在實驗中，擯棄了傳統的固態量子存儲方案中使用的「共線式」光路，設計出交叉式光路，使待處理的泵浦光和光存儲不能重合在一起，減少所造成的光泵雜訊，從而極大地提高了存儲器的保真度，可達99.9%，遠高於此前單光子偏振存儲95%的最高保真度，新穎地解決了在固態器件中存儲偏振比特的重要問題。該成果對進一步提高實用化量子通信網路元件的小型化和集成化具有重要意義。同時，超高的保真度量子存儲可用於苛刻的研究領域的容錯量子計算。
鑒於量子存儲實際上是變種的光存儲，所以我們先來看看光量子存儲的原理。因為物質是由原子構成的，而原子在量子信息的存儲方面有獨特的優勢，並且光又在量子信息等方面有著突出的應用。所以我們要了解光與原子的相互作用。因為光與原子的相互作用作為實現光量子信息存儲的一個最基本的理論，需要滿足一些特定的條件，這也就是光量子存儲的物理機制。所以我們將通過光脈衝與單個二能級原子的相互作用對該物理機制進行描述。
人類認識自然，了解自然，很重要的一個途徑是通過光來實現的，而我們人類了解和認識光的過程卻是非常坎坷複雜的。在眾多科學家工作的基礎上，我們知道了光其實是由一個一個的光子構成的，它具有波粒二象性。現如今，通過一些實驗上的操作，我們不僅可以把光子一個一個的數出來，我們還發現，即使是單一的單光子，它也具有波動性。而現在許多的量子光學實驗，比如多光子糾纏等還揭示了光具有其它奇特的性質。所以說，我們對光的認識還在一步一步的深化過程中。相比於光，原子的認識似乎要更明朗一些。它是由一個原子核和一些繞核運動的電子組成的，並且在它的內部還有著比較複雜的能級結構，但是卻沒有人真的見過它的「真實」面目。所以說，其實我們對原子的了解也並沒有比光多到哪去。在這個時候我們對於光和原子的認識，往往需要把它們二者聯繫起來去研究，因為如果我們離開了原子，我們就無法獲得光，而沒有了光的存在，我們也就沒辦法研究原子了。
光與原子的相互作用主要由吸收、自發輻射以及受激輻射組成。一個原子處於基態E1，如果它沒有受到任何外來光子的作用，它會一直處於基態而保持不變，如圖 2-1a所示。如果原子受到一個能量為hv21的光子作用，它就有可能吸收掉該光子進而提升自己的能量狀態，如圖 2-1b 所示。這樣的話，本來處於基態的原子，由於受到該hv21的光子作用後，就會躍遷到激發態E2，如圖2-1c所示。
從原子處於基態，到經過光子的作用，最後可以使原子躍遷到激發態，整個過程就是原子吸收的過程。當然，在原子吸收的過程中，並不是所有的光子都會被原子吸收，它必須滿足光子所具有的能量hv等於原子能級的間隔E2-E1 ，只有滿足這個條件，光子才會被原子吸收。
從經典力學的角度分析，如果一個物體的勢能比較高，那麼該物體將會是不穩定的。同理，如果一個原子處於勢能比較高的激發態，那麼該原子也將是不穩定的，所以它在激發態停留的時間就不會很長。實驗驗證，它的時間約為10-8 s的數量級，也就是我們通常講的，激發態的壽命大約為10-8s 。原子在不受外界光子的作用下也會自發的釋放出能量為hv21的光子，這就是自發輻射。因為自發輻射不受外界輻射場的影響，所以各個原子自發輻射產生的光子在相位、頻率、傳播及偏振方向上都是不確定的。而由於自發輻射產生的光是非相關的熒光，所以自發輻射產生的光場能量也會分布在一個很寬的頻率範圍內。
如果處於激發態E2的原子受到外界光子的作用，使得它從高能級躍遷到低能級，並且還輻射出能量為兩個能級差的光子，這個過程就是受激輻射，如圖3所示。在受激輻射中，外界光子的能量要與原子的兩個能級差相等，並且受激輻射所產生的光子在相位、頻率、傳播及偏振方向上與外界光子完全相同。
如果我們想要實現光量子信息的存儲，光與原子的相互作用就是一個最基本的理論。但是在光量子的存儲過程中，光與原子的相互作用還需要滿足兩個額外的條件。第一，光與物質之間需要強耦合，也就是它們之間需要有較強的相互作用。因為光的傳播速度是很快的，而我們現有的光量子存儲器處於的是單光子量級的存儲，所以如果光與原子的相互作用比較弱的話，它的存儲效率會比較低。第二，光量子存儲器的原子要能夠很好的保持光子的相干性，也就是要減少原子的受熱運動等，這樣就可以更好的發揮光量子存儲器的存儲功能。
上述描述，對光量子存儲的基本理論做了一些鋪墊，後續文章中將使用數學公式來進一步講述光與原子的相互作用的機制及其量子存儲應用。
關於達思科技
達思科技，國家級高新技術企業，天津市國家保密局涉密載體數據恢復唯一協作單位，數據恢復和取證行業著名品牌，是一家以技術研發為核心生產力的技術型企業，在國內乃至全亞洲數據恢復與取證技術領先！
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