摘要：本文展示了一项突破性的量子存储技术研究，该技术在电信波长下实现了1650种模式的单光子多模式量子存储。通过使用10米长的低温冷却掺铒硅纤维，在1532纳米的五个光谱频道中进行了创新性实验。这一成果不仅显著提升了量子存储的能力，还为量子网络的发展和量子互联网的构建提供了重要技术支撑，预示着未来通信安全和数据传输效率的革命性提升。量子互联网利用量子力学的原理，如量子纠缠和量子叠加，构建了一种新型通信网络。这种网络预示着在全球范围内实现几乎无法破解的通信安全，及科研和技术的革命性进步。然而，量子存储技术作为其核心组件之一，其发展受到诸如存储时间短、效率低和成本高等因素的制约。例如，目前的量子存储系统的保持时间通常在几十微秒到几毫秒之间，而理想状态下需达到几小时或更长以适应实际通信需要。近期，一个突破性的研究进展显著推动了量子存储技术的前进。在该研究中，科学家们利用10米长的低温冷却掺铒硅纤维，在电信波长1532纳米的五个光谱频道上成功实现了高达1650种模式的单光子多模式量子存储。与传统的量子存储系统相比，这一成果提升了存储的多样性和灵活性，将存储时间延长至数百毫秒，显著超出了先前的技术水平。此外，这种先进的量子存储能力不仅提升了数据传输的速度和安全性，也为全球即时共享量子信息提供了强大的技术支持，从而使量子互联网的概念逐渐变为现实。关于光学体系量子存储系统的发展，它始于20世纪90年代中期，当时的研究主要集中在如何在原子气体中利用光泵浦技术实现量子态的存储和读取。2001年，首次在实验中演示了利用电磁感应透明性（EIT）在原子蒸汽中暂时停止和重新启动光脉冲。此后，科学家们逐渐发展出多种光学量子存储协议，包括固体介质和光纤系统，从而为构建更高效、更长存储时间的量子网络打下基础。![]()
![]()
技术创新和实验设计
本研究中，科研团队通过结合原子频率梳（AFC）协议和低温冷却技术，显著提高了量子存储系统的效率。利用这项创新技术，在电信波长1532纳米的五个光谱频道中，团队成功实现了单光子的多模式存储。
原子频率梳协议：通过在掺铒硅纤维（EDF）中应用AFC协议，团队创建了一种高效的量子存储介质。该协议依靠铒元素的特殊光学性质，通过精确的光频调制，形成周期性的吸收线结构，有效实现光子在纤维中的暂态存储。例如，实验显示，在经过特定调制后的纤维中，光子的存储效率提升至0.5%，存储时间增至数百毫秒。低温冷却技术：实验使用的10米长掺铒硅纤维，被冷却至10毫开尔文的极低温度。这一低温环境显著提升了量子存储的保真度，确保光子与铒离子的相互作用更加稳定，有效减少了由于热噪声引起的信息损失。多模式存储能力：利用AFC协议的高时间分辨率和宽光谱处理能力，团队在每个光谱频道中成功存储了多达330个时间模式的光子。这种能力允许在每个频道的10吉赫宽带和5吉赫的隔离带宽内，独立地存储和检索光子，从而极大增强了系统的数据处理能力。例如，这一技术使得在实际网络中，光子可以在不同时间点被独立检索，有效提高了数据传输的灵活性和安全性。这些技术的集成不仅极大地提升了量子存储的整体性能，而且为量子网络的实际应用和未来量子互联网的构建提供了强有力的技术支持，展示出巨大应用潜力。实验成果和数据分析
本研究中，科研团队在五个光谱频道上实现了单光子的多模式存储，每个频道独立存储多达330个时间模式的光子，展示了量子存储技术的显著进步。以下是详细的实验成果和数据分析：存储效率：在实验中，每个频道的存储效率在最佳条件下达到了约0.1%到1%。这一效率是通过对比输入光子和检索光子的数量得出的，例如，在一个频道中，输入1000个光子，能成功检索出10个光子，即存储效率为1%。时间窗：实验设定的最长存储时间窗为230纳秒。这一时间窗使光子能在较长时间内被存储，从而实现在需求时间点的精确调用。例如，这种扩展的时间窗允许光子在不同阶段按预定计划被释放。信噪比：实验中系统的信噪比（SNR）高于1000，意味着存储和检索的光子信号远高于背景噪声，极大地保证了数据传输的质量和安全。挑战一：高效率存储：面对传统量子存储技术中效率受限的问题，团队采用低温冷却的掺铒硅纤维，并利用原子频率梳技术精确控制光子的存储和释放，从而提高存储效率。挑战二：保持高信噪比：为解决长时间存储中信噪比下降的问题，团队在10 mK的超低温条件下操作，并优化光子的输入和检索过程，显著提高了实验的信噪比。挑战三：多模式存储的同步性：团队通过创新的光频调制技术，成功实现了多达1650种模式的同步存储和精确检索，这对构建高数据率的量子网络至关重要。这些技术的集成不仅彰显了量子存储的前沿性，还为未来量子网络的建设提供了重要的实验数据和理论支持，有望推动量子通信技术的商业化和广泛应用。应用前景
随着量子互联网技术的不断演进，全球性的量子通信网络逐渐成型。特别是多模式量子存储技术，在不需扩展现有物理设施的情况下，就能通过光纤基础设施实现更高效的数据传输，显示出其巨大潜力。预计这项技术将显著提高银行业、医疗保健和政府部门等对安全性要求极高的领域的数据交换速度和安全级别。在银行业，量子存储技术可确保交易数据安全，有效防止金融欺诈和数据泄露。量子密钥分发（QKD）技术提供了几乎不可能破解的加密方式，对保护金融交易和客户数据至关重要。随着技术成本的逐步降低，不仅大型企业和金融机构，连中小企业也能利用这一技术保护其财务数据。在医疗保健领域，量子通信技术所提供的数据保护将极大增强患者信息的私密性，特别是在远程医疗中至关重要。医生和医疗机构可以在确保信息安全的前提下，远程进行病理分析和咨询。这项技术能确保敏感的健康记录和个人信息得到充分保护，免受未授权访问。政府部门同样将从量子通信的高安全性中受益。在国家安全、公共安全和灾难响应等关键领域，确保信息传输安全是至关重要的。量子通信网络可以保护这些敏感信息，避免外部威胁和攻击，从而增强国家的整体安全性和响应能力。随着量子通信技术从高安全需求领域向商业和民用市场扩展，其在智能城市建设中的重要作用日益凸显。在智能城市中，量子通信不仅为城市基础设施提供安全的数据链接，还助力实现高效的城市管理和服务。例如，在交通管理、能源分配和紧急响应系统中，通过安全的数据通信，量子技术能显著提高这些系统的效率和反应速度。总之，量子通信技术的持续发展和应用，预示着全球网络将迎来前所未有的安全性和效率提升。这不仅将改变专业领域的运作方式，还将深刻影响我们日常生活的各个方面。随着技术的成熟和普及，我们正步入一个更加互联、更加安全的全球网络新时代。
在回顾郭光灿院士团队在量子光学存储领域的重大成就后，我们可以深入理解量子存储技术将如何根本改变未来通信网络。实验中实现的单光子多模式存储效率达到1%，以及存储时间窗扩展到230纳秒，这一技术突破不仅大幅提升了通信安全，也显著减少了数据传输延迟，为量子网络的广泛部署打下坚实基础。随着技术的持续进化，量子互联网的全球化部署即将成为现实。尤其值得注意的是多模式量子存储技术，它使得在不需额外物理扩展的前提下，通过现有光纤基础设施实现更高效的数据传输成为可能。这一技术创新预计将大幅提高银行、医疗保健及政府部门等对高安全性有极高需求的领域的数据交换速度和安全级别。进一步地，随着量子通信技术成本的逐步降低，其应用范围预计将从专业或高安全领域拓展至商业和民用市场。例如，在智能城市中，量子通信技术可为通信提供至高无上的安全保障，或在远程医疗中保护患者数据的绝对隐私。这些前景展示了量子技术对全球网络发展的深远影响，预示着一个更加互联、更加安全的全球网络环境正在到来。
声 明
• 本文部分内容为玉量科技原创，转载请通过公众号联系我们授权，无授权请勿转载。
• 本文内容来自于其它媒体、机构的，均已注明出处，但并不代表认同其观点或对其真实性负责。如涉及来源或版权问题，请权利人持有效权属证明联系我们，我们将及时勘误、撤销。
• 本文仅供学习参考交流使用，不用于商业用途。
