量子通訊的中繼器：量子記憶體

量子記憶體從基礎觀念上就與傳統記憶體不同。首先，這裡的記憶體是指類似DRAM或SRAM的緩衝器(buffer)，只是暫存資訊之用。類似NAND能永久儲存的量子儲存器還早，有待探索。

量子記憶體的目的是暫存量子狀態(quantum state)的資訊，目前只能做到單一個量子狀態的暫時儲存，但這已是觀念及技術上很大的突破了。

量子資訊的傳送需要載體，最理想當然是光子：速度快、量子狀態比較容易維持、可承載量子訊息的自由度也最多。最常用來攜帶量子資訊的自由度是光子偏振(photon polarization)。

現在儲存光子承載量子狀態的材料是原子蒸氣(atomic vapor)。準確的來說是銣87^[1]。儲存的工具是銣原子中的基態(ground state)和激態(excited state)的超精細分裂態(hyperfine splitting)4個能階上電子自旋波的線性組合疊加。用白話說，就是把光子的量子態(偏振)想辦法轉化成原子的量子態(精細分裂態的電子自旋波)。

在量子的世界裡，儲存資訊首先有理論上的障礙—量子資訊有不可複製定理(no-cloning theorem)：量子資訊可以被傳遞、被移轉，但就是無法1份複製成2份，這也是量子通訊是安全通訊的理論基礎。

所以上述的量子記憶體只能將光子所攜帶的量子態移轉到原子蒸汽上。光子與原子蒸汽上這二者的介面很有講究，能否將光子量子狀態精確的移轉到原子蒸汽上要利用物理知識巧妙的工程設計，譬如2個超精細分裂態的躍遷有特殊的偏振選擇規則(polarization selection rule)，也就是說，它只允許吸收特定偏振量子態的光子，而且是單光子(single photon)，這樣原子蒸汽就可以用其能階上電子的自旋波，保存光子上原有的偏振所代表的量子信息了。

怎麼將儲存的資訊讀出？這個不難，再用頻率適當的雷射照射記憶體，原先吸收光子自基態躍遷至激態的電子，就會掉落到基態而釋放出光子，而且保持其原有的偏振量子態。

目前能做出來的量子記憶體只能儲存單光子的量子狀態，而且儲存時間甚短，所以只是原型(prototype)，但這已經可以開始應用了。原型出來後的發展，那只是工程努力時間長短的問題。

量子記憶體主要的應用之一是量子通訊(quantum communication)的中繼器(repeater)。攜帶量子資訊的光子可以在光纖中傳輸得很遠，但有極限，目前的紀錄是50公里，所以要在光子衰減之前，將信號重新再發送一次。量子記憶體就可以用來接收即將衰減的光子，暫存起來，處理(譬如與另一光子糾纏)後再發送。量子記憶體在量子計算與量子感測還有別的應用，特別是量子計算。很難想像量子計算在量子位元數達到實際應用的規模後，如何更進一步支援更複雜的運算，這時就少不了量子記憶體。

量子通訊是量子資訊(quantum information)的最早應用，中國已經部署了2,000公里的京滬幹線，進入了商務應用的階段(雖說目前還處於虧損階段)；荷蘭也開始了，所以量子記憶體也應該很快的會進入量產階段。

量子資訊產業未來將附加在現存的半導體、資通產業架構上，這是產業內默認的共識。我的一個題外話是像量子記憶體這樣精采迭出的創新技術是現在半導體學院能訓練出來的？還是學過基礎科學的人比較有能力在其後續生涯發展中上手的？這個問題值得想一想。我的意見是不要讓一時的商業訂單動搖了一個產業乃至於一個國家的長期人力資源布局。

註[1]：PRX QUANTUM 3, 020349 (2022)

中國的量子通訊系統「京滬幹線」在2013年7月立項，2016年11月建成，2017年9月29日正式開通。圖為京滬幹線途徑重要中國城市。中廣互聯