光，是宇宙中最迅捷的“信使”。它以每秒約30萬(wàn)公里的速度穿越星際，難以挽留。
如今卻不一樣了，通過(guò)固體量子芯片，我們可以“留住光”——存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)光子帶來(lái)的量子信息，為未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)（如量子云計(jì)算、分布式傳感）等提供關(guān)鍵硬件支撐。
既然光子轉(zhuǎn)瞬即逝，我們?yōu)槭裁床荒軐⑵滢D(zhuǎn)化為更易“留下”的載體？在傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)中，光信號(hào)通常要轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或磁信號(hào)，以便于硬盤(pán)存儲(chǔ)。但轉(zhuǎn)化過(guò)程中，原始光信號(hào)在介質(zhì)吸收和能量轉(zhuǎn)換中會(huì)被完全消解，猶如大雁飛過(guò)，只聞其聲、難見(jiàn)其形。
想象光子是一只可愛(ài)的小貓，這只貓可以同時(shí)處于“睡著”和“醒著”的狀態(tài)（量子疊加態(tài)）。如果你試圖用相機(jī)拍下這只貓的狀態(tài)，一旦按下快門(mén)，貓就會(huì)立刻變成“睡著”或“醒著”中的一個(gè)狀態(tài)（量子態(tài)坍縮）。經(jīng)典存儲(chǔ)介質(zhì)就像那臺(tái)相機(jī)，一旦測(cè)量就會(huì)破壞量子態(tài)的疊加特性。
不僅要“聽(tīng)懂”光的呢喃，還要能“看見(jiàn)”光的形態(tài)，同時(shí)不破壞光子的量子疊加態(tài)，如何做到？
這就需要“光聲轉(zhuǎn)換之法”——我國(guó)科學(xué)家出了奇招，將光的頻率、相位等信息編碼為聲波的振動(dòng)。聲波的速度比光慢得多，僅為光速的百萬(wàn)分之一，相當(dāng)于讓高速飛行的光子有了“減速帶”。轉(zhuǎn)換的重點(diǎn)在于通過(guò)光子不斷地撞擊機(jī)械薄膜實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)錄，這一過(guò)程保留了光子既“睡著”又“醒著”的狀態(tài)。
為了盡可能地“留住光”，薄膜材料的選擇十分關(guān)鍵。
傳統(tǒng)聲學(xué)薄膜材料有金屬鋁膜、半導(dǎo)體氮化硅、無(wú)定形硅等，但由于材料的內(nèi)部原子排列無(wú)序，振動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生摩擦，使得聲學(xué)能量迅速耗散，存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)一般以秒計(jì)算?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，單晶碳化硅薄膜的晶體結(jié)構(gòu)高度規(guī)整，可以大大提高機(jī)械振子的振動(dòng)壽命。
普通的薄膜材料，就像一個(gè)個(gè)鼓，每個(gè)光子“鼓槌”擊打時(shí)，傳出的聲音是成對(duì)的，且一模一樣。這就是光子在機(jī)械振動(dòng)中的簡(jiǎn)并態(tài)，儲(chǔ)存的信息無(wú)法區(qū)分。但單晶碳化硅薄膜，是一個(gè)有些另類(lèi)的“鼓面”，光子“鼓槌”落到薄膜上，振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生微妙的分裂，形成可以區(qū)分的不同狀態(tài)，這就是光子在機(jī)械振動(dòng)中的破缺態(tài)。這樣，就避免了振動(dòng)頻率完全一樣的信息干擾，光信息存儲(chǔ)的內(nèi)容更加精準(zhǔn)。
科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，在零下273.14攝氏度附近的極低溫環(huán)境下，薄膜的原子熱運(yùn)動(dòng)幾近凍結(jié)，聲子壽命得以大幅延長(zhǎng)，進(jìn)而增加光子信息存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)。近日，北京量子信息科學(xué)研究院的科研團(tuán)隊(duì)就將飛行光子駐留的時(shí)間推至4035秒，創(chuàng)造了光子信息存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)新的世界紀(jì)錄。信息存儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng)，需要用的時(shí)候，提取的自由度也越大。在應(yīng)用層面，長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)光信息的能力以及相關(guān)技術(shù)將有助于量子計(jì)算編碼、高頻引力波探測(cè)、暗物質(zhì)搜尋等。
回望科技史，每一次存儲(chǔ)介質(zhì)的革新，都為人類(lèi)文明帶來(lái)了巨大變化?，F(xiàn)在，我們已站在存儲(chǔ)介質(zhì)變革的前沿，有望“看見(jiàn)”光從瞬逝到長(zhǎng)存。
?。ㄗ髡邽楸本┝孔有畔⒖茖W(xué)研究院副研究員，本報(bào)記者王昊男采訪整理）
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年04月19日 06 版）