“膜上存光”如何實現（嘮“科”）

光，是宇宙中最迅捷的“信使”。它以每秒約30萬公里的速度穿越星際，難以挽留。

如今卻不一樣了，通過固體量子芯片，我們可以“留住光”——存儲和轉發光子帶來的量子信息，為未來量子互聯網（如量子云計算、分佈式傳感）等提供關鍵硬件支撐。

既然光子轉瞬即逝，我們為什麼不能將其轉化為更易“留下”的載體？在傳統存儲技術中，光信號通常要轉化為電信號或磁信號，以便於硬盤存儲。但轉化過程中，原始光信號在介質吸收和能量轉換中會被完全消解，猶如大雁飛過，只聞其聲、難見其形。

想象光子是一隻可愛的小貓，這隻貓可以同時處於“睡着”和“醒着”的狀態（量子疊加態）。如果你試圖用相機拍下這隻貓的狀態，一旦按下快門，貓就會立刻變成“睡着”或“醒着”中的一個狀態（量子態坍縮）。經典存儲介質就像那台相機，一旦測量就會破壞量子態的疊加特性。

不僅要“聽懂”光的呢喃，還要能“看見”光的形態，同時不破壞光子的量子疊加態，如何做到？

這就需要“光聲轉換之法”——我國科學家出了奇招，將光的頻率、相位等信息編碼為聲波的振動。聲波的速度比光慢得多，僅為光速的百萬分之一，相當於讓高速飛行的光子有了“減速帶”。轉換的重點在於通過光子不斷地撞擊機械薄膜實現信息的轉錄，這一過程保留了光子既“睡着”又“醒着”的狀態。

為了儘可能地“留住光”，薄膜材料的選擇十分關鍵。

傳統聲學薄膜材料有金屬鋁膜、半導體氮化硅、無定形硅等，但由於材料的內部原子排列無序，振動過程中容易產生摩擦，使得聲學能量迅速耗散，存儲時長一般以秒計算。科學家發現，單晶碳化硅薄膜的晶體結構高度規整，可以大大提高機械振子的振動壽命。

普通的薄膜材料，就像一個個鼓，每個光子“鼓槌”擊打時，傳出的聲音是成對的，且一模一樣。這就是光子在機械振動中的簡併態，儲存的信息無法區分。但單晶碳化硅薄膜，是一個有些另類的“鼓面”，光子“鼓槌”落到薄膜上，振動頻率會發生微妙的分裂，形成可以區分的不同狀態，這就是光子在機械振動中的破缺態。這樣，就避免了振動頻率完全一樣的信息干擾，光信息存儲的內容更加精準。

科學家還發現，在零下273.14攝氏度附近的極低温環境下，薄膜的原子熱運動幾近凍結，聲子壽命得以大幅延長，進而增加光子信息存儲時長。近日，北京量子信息科學研究院的科研團隊就將飛行光子駐留的時間推至4035秒，創造了光子信息存儲時長新的世界紀錄。信息存儲時間越長，需要用的時候，提取的自由度也越大。在應用層面，長時間的存儲光信息的能力以及相關技術將有助於量子計算編碼、高頻引力波探測、暗物質搜尋等。

回望科技史，每一次存儲介質的革新，都為人類文明帶來了巨大變化。現在，我們已站在存儲介質變革的前沿，有望“看見”光從瞬逝到長存。

（作者為北京量子信息科學研究院副研究員，本報記者王昊男採訪整理）