2001年 ， 哈佛大学的Hau小组选用钠冷原子作为介质 ， 实现了光脉冲信号的读写 ， 存储时间达到1毫秒；而同时哈佛大学的Lukin小组在2003年 ， 利用不同的控制技术在热原子介质中实现了800毫秒的光存储和释放 。 但是这短短的几百毫秒根本不足以用于任何的实际工程领域 ， 怎么办呢？
在2005年 ， 澳洲科学家实现在掺镨硅酸钇晶体固体材料介质中实现了1s的光存储 ， 2013年 ， 德国达姆施塔特大学的科研人员同样利用基于掺镨硅酸钇晶体介质实现了1分钟的光存储的世界纪录 。 在一秒到一分钟的突破中 ， 澳洲和德国科学家选用的是掺镨硅酸钇晶体 ， 其中镨是一种稀土金属 ， 这为提高光存储时间的困局指出一条道路：选用掺杂稀土金属的晶体！
但是稀土金属有17种 ， 每种金属元素的性质都不相同 ， 怎么选择呢？并且为什么选择稀土金属呢？
德国团队的光路控制演示图
【科学家|科幻电影都不敢这么演！他们真的抓住了光，还将光储存了起来！】我们把视线转回到中国科学家 。 在2015年的时候 ， 中国科学技术大学的李传锋、周宗权研究组自制了光学拉曼外差探测核磁共振谱仪 ， 专门用于稀土离子掺杂晶体的能级结构分析 。 这一仪器为他们选择适用于光存储的介质奠定了基础 。
在这一自主研发的实验仪器的帮助下 ， 中科大的李传锋团队发现由于稀土离子的特殊外层电子结构 ， 使得即便是在固体中 ， 掺杂的稀土离子仍旧保持近似自由自立的光谱特性 ， 可以很好地用于光存储及量子存储 ， 并且具有长存储时间、大带宽、多模式 ， 可集成发展的优势 。 这也就回答了为什么选择稀土元素掺杂可以提高光存储时间的问题 。
六水合三氯化铕晶体 ， 厚度约2mm ， 虚线内为存储实验所用区域
在17种稀土金属中 ， 中国科学家选择铕金属作为晶体中的掺杂离子 ， 在他们的控制下 ， 可以实现长达一个小时的光存储时间 ， 理论上甚至可以存储一个月之久 。
中国科学家团队所选用的金属铕是最为稀有的稀土元素 ， 在地壳中的含量仅仅有0.000106% ， 选择出这样的一种掺杂离子实属不易 。 这都要归功于中科大的李传锋团队在稀土金属领域长时间独立自主坚持不懈的耕耘 。
中国科学家的光路控制示意图
在中国科学家的实验中 ， 光总存储时间长达1小时 ， 且光的相位存储保真度高达96.4±2.5% 。 具有里程碑式的突破 ， 使得光存储真正具有了实际的工程应用条件 ， 为大型的量子网络搭建奠定基础 。
3、实验有哪些实际意义？
最为重要的是光存储在量子通信中的作用 。 因为光纤传播的指数级的光子损耗 ， 地面纠缠分发的距离当前被限制在百公里的范围内 。
而光量子的存储可以建立量子中继器 ， 克服这一损耗 ， 在量子中继卫星中搭载这一光存储技术 ， 一个小时的时间可以满足覆盖全球的量子信息传播 ， 进而建立起远距离的量子通信网络 。
储存光的晶体
我们可以把光子理解成为一辆载满信息的跑车 ， 把中继器理解成为加油站 。 在长距离运输过程中 ， 如果不加油 ， 光子这辆“跑车”就会“丢掉”一些“负重” ， 也就是信息会失真 ， 而光子在量子中继器这里“加油” ， 就可以保持其“负重”不丢失 ， 也即保证了传输信息的质量 。
此外 ， 还可以将量子存储技术用于“U盘”中 ， 制作成的量子U盘具有高保密性和保真性 。 即便丢失 ， 其中的信息也无法被破译截取 。 但是当今的交通运输方式 ， 即便是高铁和飞机在运输量子U盘时 ， 在仅仅一个小时的存储时间内可以实现的运输距离也是有限的 。 仍旧需要在这一光存储的道路上继续前进 。 说不定在未来某天 ， 我们普通人也能用上量子U盘和量子计算机 。
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