存儲器的功能就是把資訊存儲起來，直到需要用到的時候再讀出。資訊的存儲是人類文明傳遞的重要手段，也是現代資訊技術的一個核心環節。
伴随着人類曆史的發展，資訊存儲的媒體也在不斷變化。語言是人類最初的交流方式，大腦是資訊存儲的最早媒體。它使得人類能夠持續生存與進化。從語言到文字是人類文明進步的一個轉折點，資訊可以脫離人本身以文字等形式儲存起來并傳遞下去。人們先後使用過石頭雕刻、繩子打結、書本、磁盤、CD光牒等各種形式的存儲器。
現代數字資訊處理是基于二進制計算機的，是以經典的存儲器都是存儲比特的，也就是存儲兩種經典狀态之一：0或者1。大量比特的組合構成我們所需要的資訊。經典存儲器随處可見，包括電腦、手機内的記憶體、硬碟，以及便攜式U盤等。
便攜式U盤
由經典資訊走向量子資訊的時代，量子存儲器是必不可少的基礎器件。對比經典存儲器的功能，量子存儲器應當是可以存儲量子狀态的，也就是和的任意量子疊加狀态。和是兩種最基本的量子态，對應經典的0和1，其差別是量子态可以疊加。
量子存儲器在量子資訊科學中具有許多重要的功能：
（1）建立大尺度量子網絡
量子網絡是長程量子通信和分布式量子計算的載體，它可以基于量子糾纏建立起來。單個光子是量子糾纏、量子資訊的理想載體，然而單個光子在光纖網絡中傳輸面臨指數級的損耗，單光子穿越100千米光纖的幾率是百分之一，而穿越500千米光纖的幾率則降至100億分之一。
一個典型的解決方案是量子中繼，其基本思想是把大尺度網絡分割成多段小尺度網絡。比如500千米的量子糾纏傳輸可以分解為五段100千米的短程糾纏，在短程糾纏依次成功建立的條件下，再利用糾纏交換建立遠端糾纏。
這裡的問題是，每個100千米的糾纏建立的時間一般是不同步的，比如第一段可能在0.05秒建立，第二段可能在0.02秒建立，第三段又可能在0.1秒建立，等等。這就需要量子存儲器去同步這個過程，每個節點的糾纏一旦成功建立則存儲起來，等到所有節點都成功建立時，存儲器之間進行糾纏交換最終建立遠端糾纏。是以大尺度量子網絡要解決的核心問題就是高性能量子存儲器的實體實作。
量子網絡
（2）建構量子計算機
和經典計算機一樣，通用量子計算機也需要量子存儲器（記憶體）實作複雜的計算功能。依據具體計算晶片的不同，該存儲器要存儲相應的量子資訊載體。以線性光學量子計算為例，多光子是一種基本的計算資源，可是直接産生多光子非常困難：某時刻獲得一個光子的幾率是P，則同時獲得N個光子的的幾率是P的N次方。目前P值大約10%，故無法産生幾十個光子的糾纏态。
利用量子存儲器可以把這種低效率的光子源轉變為确定性（即P接近100%）的光子源。比如存儲器的壽命是産生光子所需要一次操作時間的100倍，那麼就可以在存儲器壽命範圍内，做最大100次重複嘗試發射光子直到成功，進而把一個P=1%幾率的光子源轉變為确定性光子源，并進一步獲得多光子源。
（3）實作量子U盤
以上提到的應用中量子存儲器的壽命一般在秒量級及以下，存儲器都是固定在某個地點配合光子來實作諸多功能。2015年，科學家發現稀土離子摻雜晶體的自旋态量子相幹壽命長達6小時。這是量子系統相幹壽命的最高水準，并且有望進一步提升至幾天的量級。該結果對量子資訊科學發展具有深遠的影響。
比如我們可以把單個光子存儲進存儲器中，并且在存儲壽命範圍内，利用汽車、高鐵、飛機等運輸工具把存儲器運輸到任意指定地點，這就實作了量子U盤的功能。這是一種革命性的量子通信方案，因為它原則上可以實作對量子糾纏物體的經典搬運。量子通信将不再依賴光纖布網，任何經典交通工具能到達的地方，量子U盤攜帶量子糾纏就能到達。它将是一種高靈活性且相對低成本的點對點量子通信方式，有望在身份認證、簽名、量子密碼、量子資訊共享等各領域取得應用。
值得一提的是量子存儲器的容量問題，經典存儲器一般以比特為機關，現在的經典存儲器可以達到TB（2的40次方）的量級。經典存儲器一個存儲單元隻存儲一個比特，是以存儲器的容量實際上就是經典存儲單元的個數。量子存儲器由于量子相幹性的特點，它的一個存儲單元可以一次性存儲N個量子比特，也就是N個模式。近期研究表明固态量子存儲器的存儲容量可達100個量子比特。這個容量已經遠大于地球上所有經典存儲器之和。
量子存儲器
綜合來看，由于量子資訊不可複制且不可放大，量子存儲器在量子資訊中的地位比經典存儲器在經典資訊中的地位更加重要。國際上有許多研究組在從事量子存儲器的研究，比較主流的實體系統是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體。目前量子存儲器的各項獨立名額都有比較好的結果，然而綜合名額仍然距離量子中繼的要求相差較遠。量子計算需求的量子存儲器綜合名額相對低一些，但這種存儲器的實際應用需要伴随量子計算研究的突破。
量子U盤研究目前面臨的主要挑戰是如何把單個光子高效率地存儲進長壽命的自旋态中以及提高實際系統運輸中的抗環境噪聲能力。伴随以上研究的逐漸推進，量子U盤有望率先進入實用環節。
原文釋出時間為：2017-03-01
本文作者：流蘇
本文來源：
九州量子，如需轉載請聯系原作者。