郭光燦院士團(tuán)隊量子信息領(lǐng)域的研究成果：《中性原子系綜與量子信息》

量子信息科學(xué)是利用量子力學(xué)基本原理完成信息處理任務(wù)的一門交叉學(xué)科。量子信息科學(xué)的發(fā)展有三個重要階段性目標(biāo):

一

構(gòu)建通用量子計算機(jī)，并利用它幫助人類快速、高效地解決某些經(jīng)典計算機(jī)難以解決的復(fù)雜問題，比如基于大數(shù)因子分解的公開密鑰破譯問題等，展示強(qiáng)大的計算能力，并為天氣預(yù)報、大數(shù)據(jù)處理、新藥研發(fā)等提供有效幫助；

二

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信和基于量子密鑰分發(fā)的保密通信，基于量子通信人們可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶之間的量子態(tài)傳輸，而通過量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以使兩個遠(yuǎn)程用戶以絕對安全的方式進(jìn)行信息交流，從而建立具有物理感知能力的安全通信體系；

三

幫助人們提高對物理量的測量精度，突破傳統(tǒng)測量技術(shù)的測量極限，并在特定環(huán)境中抵御噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)高精度慣性導(dǎo)航、超靈敏微波探測、

量子信息發(fā)展的最終目標(biāo)是通過將以上三者有機(jī)結(jié)合，形成一個天地一體化的量子網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于人類社會。自Bennett 和Brassard 1984 年提出并于1992 年首次實(shí)現(xiàn)原理性演示量子密鑰分發(fā)協(xié)議(即著名的BB84 協(xié)議) 以來，量子信息的發(fā)展進(jìn)入了快車道，經(jīng)過科研人員及企業(yè)團(tuán)隊幾十年的不懈努力，人們已在量子信息學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的成就。但是，由于量子信息三大主流方向各自的發(fā)展還遠(yuǎn)未到成熟的階段，因此天地一體化量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建還尚需時日。一種未來可能的工作模式是：通過量子傳感網(wǎng)去感知不同物理量的變化，利用量子通信網(wǎng)絡(luò)將這些物理量變化的信息傳遞給由量子計算機(jī)構(gòu)成的信息處理中心進(jìn)行快速實(shí)時的分析和處理，并給出相應(yīng)的應(yīng)對策略，再由量子通信網(wǎng)絡(luò)傳送到相關(guān)的策略執(zhí)行者。

一個量子網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)由能夠存儲和處理量子信息的節(jié)點(diǎn)以及鏈接不同節(jié)點(diǎn)的信息傳輸信道構(gòu)成，其中的節(jié)點(diǎn)主要由量子存儲器和量子計算機(jī)構(gòu)成，信道則主要由自由空間或光纖信道組成。光子由于運(yùn)動速度快、與環(huán)境耦合小而成為信息傳輸載體的最佳選擇。為了克服信號光在信道中傳輸?shù)闹笖?shù)衰減問題，人們需要借助類似于經(jīng)典通信體系使用的中繼技術(shù)，因此長距離的信息傳輸還需要量子中繼或通信衛(wèi)星技術(shù)的協(xié)助才能完成。目前構(gòu)建量子存儲器的物理平臺有很多，包括原子體系、離子、稀土摻雜晶體等，同樣，實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)的物理平臺也是多種多樣的，如超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、中性原子、離子等。不同的物理體系各有特色，目前尚不能利用一種物理體系構(gòu)成一個完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因而量子信息的研究體系仍然處于“百家爭鳴、百花齊放”的局面。

研究量子信息的物理體系多種多樣，其中氣態(tài)原子系綜由于具有光譜一致性、大光學(xué)厚度和長相干時間等優(yōu)點(diǎn)而備受科研人員的青睞，成為量子信息研究的重要物理平臺，這也是我們團(tuán)隊選擇氣態(tài)原子作為物理平臺的主要原因。

一個量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建離不開非經(jīng)典態(tài)的產(chǎn)生、量子編碼、量子存儲與處理、量子接口、量子態(tài)傳輸以及探測和識別等核心技術(shù)。量子通信、計算和精密測量的實(shí)現(xiàn)離不開對各種量子態(tài)的操控，因此各種量子態(tài)的制備是開展量子信息研究的基礎(chǔ)，而量子編碼解決的是如何在載體上加載信息的問題；量子存儲器則是信息處理和長距離傳輸不可或缺的單元；未來的量子通信網(wǎng)絡(luò)可能由不同的物理體系組成，不同物理體系的工作波長/窗口存在差異，網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要量子信息在不同的物理體系之間相互轉(zhuǎn)移，因此如何高效、高保真地連接不同的物理體系，即實(shí)現(xiàn)量子接口，就成為構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的一項關(guān)鍵技術(shù)；量子通信的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶之間的量子態(tài)傳輸，因此如何讓量子態(tài)高保真、遠(yuǎn)距離傳輸是科研人員長期追求的目標(biāo)；多體量子系統(tǒng)的相互作用是量子信息科學(xué)領(lǐng)域的一個重要研究方向。里德伯原子具有大的誘導(dǎo)電偶極矩使得它可以實(shí)現(xiàn)原子之間的長程相互作用，為研究多體量子物理提供了有力的技術(shù)手段；基于里德伯原子的微波電場測量由于具有自校準(zhǔn)、可溯源及靈敏度不受熱噪聲影響等優(yōu)點(diǎn)而備受人們的青睞，成為量子精密測量領(lǐng)域的一個研究焦點(diǎn)；等等。

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中性原子系綜與量子信息購買

史保森, 郭光燦著

北京: 科學(xué)出版社, 2025. 12

(量子信息前沿叢書)

ISBN 978-7-03-084297-8

《中性原子系綜與量子信息》緊緊圍繞量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建這一核心目標(biāo)，以堿金屬氣態(tài)原子體系為物理平臺，以網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)研究為主要內(nèi)容，在綜合他人研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹我們團(tuán)隊在量子信息領(lǐng)域的研究成果，主要包括量子態(tài)的產(chǎn)生、量子態(tài)存儲、非線性頻率變換、量子模擬、手性量子光學(xué)研究以及微波測量等方面的工作。作者在撰寫本書過程中得到了中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室各位同事及多模量子存儲與光子操控研究組全體師生的大力支持和協(xié)助，在此深表謝意！

全書結(jié)構(gòu)如下：前言，概括性介紹構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的主要部分及所需的關(guān)鍵技術(shù)；第1 章為基礎(chǔ)知識，介紹本書研究內(nèi)容依托的物理平臺(冷原子系綜) 和與之相互作用的光場(渦旋光場)；第2 章為非經(jīng)典光源的制備，主要介紹利用原子體系制備非經(jīng)典光源的工作；第3 章到第8 章系統(tǒng)介紹基于原子系綜的量子存儲，特別是高維量子存儲的重要進(jìn)展；第9 章為量子接口，主要介紹如何通過非線性頻率變換連接不同物理平臺的工作；第10 章為手性量子光學(xué)，主要介紹基于原子體系的量子非互易傳輸；第11 章為量子模擬，側(cè)重于介紹我們團(tuán)隊在多體模擬方面的一些進(jìn)展；第12 章為微波電場測量，簡要介紹我們在基于里德伯原子體系開展微波電場測量方面的一些進(jìn)展。全書以基于原子系綜體系的量子信息研究為線索串聯(lián)起來，為讀者全面了解相關(guān)物理知識和研究進(jìn)展提供參考，每一章也可獨(dú)立成體系，供讀者選擇性閱讀。

本書適合量子信息、量子光學(xué)或物理專業(yè)高年級本科生、研究生 以及大學(xué)教師和相關(guān)科技工作者閱讀參考。

本文摘編自《中性原子系綜與量子信息》（史保森, 郭光燦著. 北京: 科學(xué)出版社, 2025. 12）一書“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

(量子信息前沿叢書)

ISBN 978-7-03-084297-8

責(zé)任編輯：周 涵 孔曉慧

本書在闡述基本工作原理和綜合他人研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室基于原子系綜體系開展的量子信息研究工作，主要內(nèi)容包括量子態(tài)的產(chǎn)生﹑量子態(tài)存儲﹑非線性頻率變換﹑手性量子光學(xué)、量子多體模擬以及基于里德伯原子的微波電場測量等方面的進(jìn)展。全書以原子系綜作為物理平臺將各章的內(nèi)容串聯(lián)起來，為讀者全面了解相關(guān)物理知識和研究進(jìn)展提供參考，每一章也可獨(dú)立成體系，供讀者選擇性閱讀。

量子信息前沿叢書

《量子光學(xué)》

《量子計算（上下冊）》

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（本文編輯：劉四旦）

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