毋庸置疑，在人类社会信息化发展的历程中，光通信技术起到了举足轻重的作用，而该技术长距离发展的关键是掺铒光纤放大器的研制。可以说，石英玻璃制作而成的光纤是上帝赐予人类的礼物，而掺铒光纤则是这份礼物之外的额外惊喜。没有掺铒光纤(放大器)的研制成功，人类社会不会在近三十年里发生如此巨大的变化，信息时代或许还远远没有到来。

经典光通信是幸运的，低损耗的光纤加上无缝连接的光放大器解决了信息传递过程中90%的硬件困难。在经典光通信发展的同时，一项更为安全（‘绝对’安全）的通信技术的研究于三十年前也在悄然开展着。区别于经典光通信，这项技术被称作量子保密通信，或简称量子通信。其基本的思路是利用量子物理的基础和资源，比如量子不可克隆定理、量子测量不确定性（测不准）关系、量子相干叠加、量子纠缠等，实现密码信息的安全分发；在安全分发密码信息的基础上，结合‘一次一密’的加密和解密经典算法，即可实现被信息理论所证明的‘绝对’安全的保密通信。

原则上，量子保密通信技术可以使用任意可传输的量子系统作为密码信息的载体。在众多的量子信息承载系统中，光子成为量子保密通信技术中最鲁棒的信息载源。首个利用光子作为信息载源的量子保密通信实验系统，搭建于上世纪九十年代初，距今已经过去了二十多年，但是到目前为止还没有可实用的量子保密通信系统供全人类使用。相较于经典光通信的发展，基于光子的量子保密通信系统的发展脚步相当缓慢，尽管大量高水平的研究工作在不断的发表，其实用化的前景仍不明朗。

阻碍量子保密通信技术进一步实用化的因素主要体现在三个方面：

第一是理想单光子源的实现。目前看来这还是一个艰巨的任务。所幸的是本世纪初，多位学者提出并证明通过随机地发射不同光强水平（平均光子数水平）的弱相干单光子波包（衰减的激光），可以实现在100公里地理尺度范围内（自由空间链路或者光线链路）的安全密钥分发（事实上，直接使用衰减激光仍然可以实现安全的密钥分发，但是通信记录将局限在10公里量子的地理尺度内，这是由于激光的统计特性和光子数分束攻击引起的）。

第二是单光子探测器。目前单光子探测器的效率和暗噪声都相比与30年前有了显著的提升，比如美国NIST研制成功的超导单光子探测器其探测效率可以做到90%以上，噪声水平低于10Hz。但是，5年前Markov等人发现了单光子探测器致盲攻击漏洞，使得在过去20年左右的时间内基于制备-测量方案的量子保密通信技术都面临被抛弃的局面。所幸的是，四年前来自多伦多大学的研究人员，提出并证明使用双光子干涉辅助的量子保密通信具有测量器件无关的安全特性，单光子探测器面临的安全漏洞才从根本上解决，同时该方案还为未来的量子保密通信系统提供了‘星形’组网的结构特点。值得注意的是，这里量子保密通信的安全性证明仍然需要对光子源进行安全性假设，近年来‘器件’无关的量子保密通信协议和技术的研究是在测量无关技术基础上的进一步发展。

第三是长距离量子保密通信及其网络的实现。对比经典光通信技术，目前量子保密通信技术的安全通信距离仍然受限。其原因是光子态在传输过程中的损耗，目前实验室环境下最长的通信距离在300公里以内。而与经典光通信不同的是，量子保密通信无法使用掺铒光纤放大器之类的器件来进一步提升通信距离，这是有量子不可克隆定理决定的。尽管近年来澳洲研究组有提出并实验论证可预报的光量子态放大方案，但是该技术方案还不能在近期应用到量子保密通信的实用化中。另一个长距离量子保密通信和组网的方案是使用‘可信’中继器的方案，这是一个择中之举，其安全性就体现在这个‘可信’中继器上。具体地，‘可信’中继器可以分为两类：一类是经典‘可信’中继，这类中继器的思路是做加法，比如实现2000公里的长距离保密通信，我们可以把20个100公里的通信链路连接起来，在链路连接的地方需要进行‘量子-经典-量子’的操作。按照这个办法实现的系统，其任意一个100公里距离长的系统内的密码分发都可以保证安全，但是在相邻的两个链路间的密钥中继是不安全的，因此我们需要在中继处布置重兵把守，实现‘可信’中继。（这让我想起当年关羽将军攻打襄阳时，使用中继烽火台作为荆州和前线的通信方式，而最终关将军也因为此技术没能成功通信而导致大意失荆州）。另一类是量子‘可信’中继，由于在该技术中无需像经典‘可信’中继那样进行‘量子-经典-量子’的操作，因此其安全性仍然受到量子力学物理基础的保护，进而人们直接称其为量子中继技术。具体的，在该技术中需要使用量子纠缠，量子存储器和量子态测量作为物理基础，在实现长距离量子纠缠分发的基础上，结合量子态传递技术可以实现长距离的量子保密通信。同时，这一技术方案还可结合测量无关量子保密通信技术实现长距离量子保密通信网络的可能。

看起来，（测量）器件无关量子保密通信技术结合量子中继方案是实现未来全球保密通信技术的最终解决方案。然而，量子中继器的物理实现仍然是制约我们迈向未来的屏障。事实上，量子中继器（量子存储器）的研究工作已经有接近20年的研究，涉及的技术方案众多，最佳技术路线仍不明朗。在这方面，掺杂有稀有金属离子的晶体（波导）是一个很好的固态材料体系；相较于气相下的冷原子（离子）系统而言，固态材料体系更易制备和操控，如不需对离子进行捕获。

目前，基于固态材料的量子存储工作已有大量的报道，但是从工程的角度来看，最佳的材料体系选择仍不清楚。尽管目前人们在对600-800纳米波段研制成功较高质量的固态量子存储器件；而事实上，实现1.5微米波段的量子存储器将更有意义。一方面，光通信的发展过程中，人们已经在1.5微米波段研制出大量成熟的器件技术；另一方面，基于光纤的量子保密通信技术也得到了大量的发展。这些都将为未来的量子保密通信网络提供器件技术和基础链路的促进。

从光谱学的角度来看，铒离子具有开发1.5微米波段量子存储器的物理潜力，但是一直以来人们都没有实现基于铒离子的光量子态储存。特别是基于掺铒光纤的量子存储更不易实现，这是因为固态材料中的离子能级与非晶材料中的声子过程相互作用更为繁复。

而在今天，这一看似不可能的工作却发表在了《Nature Photonics》上(http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2014.311.html)。在该工作中，来自加拿大卡尔加里大学的研究人员将20米长的低掺杂掺铒光纤制冷到0.8K水平，极大的抑制系统的声子过程，进一步结合原子频率梳（Atomic Frequency Comb）协议，实现了1.5微米波段光子态的存储和提取。

大约20年前，掺铒光纤放大器的发明为人类的光通信技术带来了本质的飞跃。今天，我们再一次的在掺铒光纤中实现了量子信息的存储（尽管目前各方面指标还不理想，存储时间和效率等），这一突破是否能够推动人类信息技术的再一次发展呢？