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“膜上存光”如何实现（唠“科”）
本文转自：人民日报
刘玉龙
光，是宇宙中最迅捷的“信使”。它以每秒约30万公里的速度穿越星际，难以挽留。
如今却不一样了，通过固体量子芯片，我们可以“留住光”——存储和转发光子带来的量子信息，为未来量子互联网（如量子云计算、分布式传感）等提供关键硬件支撑。
既然光子转瞬即逝，我们为什么不能将其转化为更易“留下”的载体？在传统存储技术中，光信号通常要转化为电信号或磁信号，以便于硬盘存储。但转化过程中，原始光信号在介质吸收和能量转换中会被完全消解，犹如大雁飞过，只闻其声、难见其形。
想象光子是一只可爱的小猫，这只猫可以同时处于“睡着”和“醒着”的状态（量子叠加态）。如果你试图用相机拍下这只猫的状态，一旦按下快门，猫就会立刻变成“睡着”或“醒着”中的一个状态（量子态坍缩）。经典存储介质就像那台相机，一旦测量就会破坏量子态的叠加特性。
不仅要“听懂”光的呢喃，还要能“看见”光的形态，同时不破坏光子的量子叠加态，如何做到？
这就需要“光声转换之法”——我国科学家出了奇招，将光的频率、相位等信息编码为声波的振动。声波的速度比光慢得多，仅为光速的百万分之一，相当于让高速飞行的光子有了“减速带”。转换的重点在于通过光子不断地撞击机械薄膜实现信息的转录，这一过程保留了光子既“睡着”又“醒着”的状态。
为了尽可能地“留住光”，薄膜材料的选择十分关键。
传统声学薄膜材料有金属铝膜、半导体氮化硅、无定形硅等，但由于材料的内部原子排列无序，振动过程中容易产生摩擦，使得声学能量迅速耗散，存储时长一般以秒计算。科学家发现，单晶碳化硅薄膜的晶体结构高度规整，可以大大提高机械振子的振动寿命。
普通的薄膜材料，就像一个个鼓，每个光子“鼓槌”击打时，传出的声音是成对的，且一模一样。这就是光子在机械振动中的简并态，储存的信息无法区分。但单晶碳化硅薄膜，是一个有些另类的“鼓面”，光子“鼓槌”落到薄膜上，振动频率会发生微妙的分裂，形成可以区分的不同状态，这就是光子在机械振动中的破缺态。这样，就避免了振动频率完全一样的信息干扰，光信息存储的内容更加精准。
科学家还发现，在零下273.14摄氏度附近的极低温环境下，薄膜的原子热运动几近冻结，声子寿命得以大幅延长，进而增加光子信息存储时长。近日，北京量子信息科学研究院的科研团队就将飞行光子驻留的时间推至4035秒，创造了光子信息存储时长新的世界纪录。信息存储时间越长，需要用的时候，提取的自由度也越大。在应用层面，长时间的存储光信息的能力以及相关技术将有助于量子计算编码、高频引力波探测、暗物质搜寻等。
回望科技史，每一次存储介质的革新，都为人类文明带来了巨大变化。现在，我们已站在存储介质变革的前沿，有望“看见”光从瞬逝到长存。
（作者为北京量子信息科学研究院副研究员，本报记者王昊男采访整理）
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快照生成时间：2025-04-19 08:45:03
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