郭光燦院士團(tuán)隊(duì)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(gè)重要階段性目標(biāo):

一

構(gòu)建通用量子計(jì)算機(jī)，并利用它幫助人類快速、高效地解決某些經(jīng)典計(jì)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(jì)算能力，并為天氣預(yù)報(bào)、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(gè)遠(yuǎn)程用戶以絕對(duì)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(duì)物理量的測(cè)量精度，突破傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的測(cè)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(cè)、

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(gè)天地一體化的量子網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于人類社會(huì)。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(duì)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(shí)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(jì)算機(jī)構(gòu)成的信息處理中心進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的分析和處理，并給出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)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(gè)量子網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)由能夠存儲(chǔ)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(chǔ)器和量子計(jì)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(dòng)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(hào)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(chǔ)器的物理平臺(tái)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(jì)算機(jī)的物理平臺(tái)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(gè)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(zhēng)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(shí)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(tái)，這也是我們團(tuán)隊(duì)選擇氣態(tài)原子作為物理平臺(tái)的主要原因。

一個(gè)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(chǔ)與處理、量子接口、量子態(tài)傳輸以及探測(cè)和識(shí)別等核心技術(shù)。量子通信、計(jì)算和精密測(cè)量的實(shí)現(xiàn)離不開對(duì)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(chǔ)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(xiàng)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(gè)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(chǎng)測(cè)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(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)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(tái)，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(duì)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(chǔ)、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(cè)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(yàn)室各位同事及多模量子存儲(chǔ)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(shí)，介紹本書研究內(nèi)容依托的物理平臺(tái)(冷原子系綜) 和與之相互作用的光場(chǎng)(渦旋光場(chǎng))；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(chǔ)，特別是高維量子存儲(chǔ)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(tái)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(duì)在多體模擬方面的一些進(jìn)展；第12 章為微波電場(chǎng)測(cè)量，簡要介紹我們?cè)诨诶锏虏芋w系開展微波電場(chǎng)測(cè)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(shí)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(jí)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(yàn)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(chǔ)﹑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(chǎng)測(cè)量等方面的進(jìn)展。全書以原子系綜作為物理平臺(tái)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(shí)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)》

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（本文編輯：劉四旦）

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