前言
世界已步入信息社会,全球每分钟互联网新增的数据超过数万亿字节,每天各种媒体发布和刊载的数据资料,包括视频、音频、图片和文档总量达到甚至超过拍字节(1015B)量级。如此高速增长的数据量都需要存储,无论对固定或移动存储器都是极大的挑战。随着科学技术的进步,未来信息存储将具有如下特征: 记录单元将进入分子、原子量级。自然界或人工合成的许多物质中都能找到性能非常稳定的原子或分子,可通过外加的影响改变其状态用于信息记录; 多维/多元存储将取代传统的平面二维存储,信息存储容量不仅是记录单元所占用的空间尺寸的函数,也是同一物理空间内其他各稳定参量的函数,即多维/多元编码存储; 完全取消机械运动部件,排除机械系统速度、加速度的制约; 实现空间交叉互联,信息存储与处理结合, 并行读写、编码、压缩及高层次智能化处理,最终实现不受容量、内容、表达方式和处理方法限制的智能化信息存储系统。因为光量子存储不仅可以达到分子、原子量级,而且还有多种物理状态(吸收、辐射、谐振、纠缠、偏振、干涉、衍射等)用于存储信息,可将每个单元存储容量提高若干数量级,是最易于同时实现上述目标的最佳解决方案。并且,不仅可独立存储记忆完整的概念、物理定义、数学模型或图形和图像,而且通过互联实现一定的处理功能,为大数据的智能化存储开辟了一条新途径。另外,光量子存储在散热和抗交叉干扰等方面不存在技术屏障,具有低能耗、容易实现存储单元之间互联、空间耦合相关处理以及大规模集成加工生产等优点,适应未来的信息系统,特别是人工智能新型计算机及其他信息技术发展的需求。
作者在总结收集整理国内外迄今为止光量子存储领域所取得的最新研究成果的基础上编写了此书。除了针对光量子存储技术涉及的基本原理进行了较系统的介绍外,尽可能地将已实现的或正在研究中的各种实验方案逐一介绍。同时,包括作者近年来在国内外相关的学术交流活动中接触到的有关光量子与介质相互作用记录信息的新机理、研究发展技术路线、存储系统实验研究方案,以及在存储密度、容量、数据传输速率及可靠性等方面获得的具体实验数据资料。
光量子存储基于光子与介质之间的物理、化学反应。实验证明,许多物质原子发射的光量子在与其他物质的原子之间相互作用时,可得到多种稳定可逆的物理状态。这些转换过程,大部分可用能量密度矩阵运动方程或迭代矩阵量化描述。例如,掺钕铌硅酸盐晶体受激产生的光量子不仅具有良好的相干性,而且能使掺钕铌硅酸盐晶体产生可控的光量子跃迁和二次受激非线性光子辐射。根据物理数学模型仿真及初步实验结果证明,在此类物质与光量子相互作用过程中,光子的非线性传输和多模态完全有可能用于构建静态或动态光量子固态存储器。另外,光量子与物质的可逆异构化效应,包括许多高分子材料吸收光量子后产生的内部结构与光学特性的可控变化,有机或无机介质双光子吸收耦合非线性效应及其选频吸收,均证实光子具有良好的可控存储信息的特性。实验结果还证明,纳米晶体薄膜、非晶态光致变色材料、高分子材料同样具有高电离子域化合价转换效率、高稳定性、复合噪声低、能耗低及结构设计灵活性大等优点,非常适合工程应用的要求,便于未来实现系统集成及规模化生产。
本书涉及学科非常广泛,除了量子光学、量子信息论、集成光学、非线性光学、纳米光子学、光子化学、表面物理及统计物理等基础学科外,还与许多最新前沿工程技术相关。作者在本书的编写过程中,发现许多知识结构体系之间的“断层”,例如某些定义、符号及数学模型不一致; 部分外文专业词汇没有统一的中文翻译。所以在编写过程中对某些数学模型及其推导过程尽可能删繁就简,采用文字描述,对于比较特殊的符号和定义均加适当的注释,不常见的专业词汇仍保留原词作为对照,希望能通过比较简练的表达方式将光量子存储的物理化学过程展示给读者,使读者对光量子存储的本质和机理有较准确的认识和理解,以便在此基础上,能顺利接受和理解光量子存储中特有的问题及处理方法,例如,不同频率光子态的耦合波方程、光子在介质中的非线性传输模型、光子能量转换效率计算、光量子能耗分析及可靠性计算等重要数学工具和计算方法。此外,为解决本书内容涉及基础理论类型较多,使用符号比较复杂,容易混淆问题,特将本书中使用的重要符号,根据它的物理意义和数学表达方式分类整理作为附件列于书后,供读者查阅参考。
本书内容前沿,涉及众多学科,变量符号繁多,尤其是量子科学的变量符号很特殊也很复杂,虽然有些变量符号按照出版规范应该排成黑斜体(比如矩阵和矢量),但为了读者阅读方便,同时也和国际上相关领域科技文献统一,而且本书原稿最初也是用英文写成,其中有些内容已在国外出版英文专著,本书变量符号都统一排成白斜体,特此说明。
本书的部分重要内容,例如基于光化学光固态存储器、光量子记忆功能、光量子集成器件三维结构设计制造及无掩膜纳米光刻等,都曾经在清华大学相关专业高年级研究生选修课及其他学术机构组织的专题中使用过。这些内容相对比较独立,且提供了较完整的参考文献目录,适合各种数字化演示文件的制作。在编写本书时仍保留了此特色,并根据光量子信息存储技术的新发展和学科体系进行了全面的补充调整,增添了部分综述性介绍和简要的总结归纳。所以,本书也适合作为相关专业的研究生或本科生的教材。在上述学术交流活动中,作者还曾收到希望将本书内容扩展为一个多学科综合应用培训平台的建议,虽然其重要性是显而易见的,但实际操作难度很大,短期内无法实现。期望通过此次出版发行,充分听取广大读者意见和实际应用考核后再考虑全面修改补充。
光量子信息存储研究的这些特点,曾经引起许多不同学科领域、具有不同研究背景和阅读目标读者群的关注。即这些读者虽然不具体从事光量子存储研究,但对本研究课题中涉及的多学科交叉研究方法或成果颇感兴趣。作者对此十分珍视和欢迎,这种跨学科的互动恰恰是光量子存储技术学科发展的特色和继续进步的潜源。所以在编写过程中,对相关学科在光量子存储研究中的实际应用和贡献都进行了较详细的介绍。例如,基于纳米光子学的量子内物质相互作用、纳米光学器件的加工工艺设备、高效宽带光量子传感等内容都有专门章节系统描述。除了因为这些知识对光量子信息存储研究不可缺少外,更希望这类具有战略意义的跨学科研究课题能获得各方面专业人士、专家学者的关心和支持。更好地获得各相关学科的支持,推动光量子存储的发展,对未来研究开发新一代存储器件有所裨益。例如,为了配合光量子信息存储的基础研究,清华大学利用自行研制的激光阵列扫描三维加工装置和精密压印成型技术,进行了多种光化学反应多阶调制实验芯片以及其他具有纳米结构实验器件的研制。虽然这些实验装置和工艺技术与大规模实用化还有很大的距离,但足以证明实现光量子存储器件的产业化生产并非存在不可逾越的鸿沟,对其他领域的超精密加工制造也有一定的参考价值。
在本书出版之际,作者首先要向鼓励和支持完成此书的专家、教授及清华大学出版社的编辑致以崇高的敬意; 对听过相关讲座或参与研讨的朋友们表示衷心的感谢。光量子存储属于新兴学科,发展迅速,日新月异。由于作者在此领域的研究深度有限,不可能全面反映目前国内外的研究水平和状态,书中不足在所难免,衷心希望广大读者批评指正。
徐端颐2021年6月于清华园