郭光燦院士團隊量子信息領域的研究成果：《中性原子系綜與量子信息》

量子信息科學是利用量子力學基本原理完成信息處理任務的一門交叉學科。量子信息科學的發展有三個重要階段性目標:

一

構建通用量子計算機，并利用它幫助人類快速、高效地解決某些經典計算機難以解決的復雜問題，比如基于大數因子分解的公開密鑰破譯問題等，展示強大的計算能力，并為天氣預報、大數據處理、新藥研發等提供有效幫助；

二

實現遠程量子通信和基于量子密鑰分發的保密通信，基于量子通信人們可以實現遠程用戶之間的量子態傳輸，而通過量子密鑰分發技術可以使兩個遠程用戶以絕對安全的方式進行信息交流，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，突破傳統測量技術的測量極限，并在特定環境中抵御噪聲干擾，實現高精度慣性導航、超靈敏微波探測、

量子信息發展的最終目標是通過將以上三者有機結合，形成一個天地一體化的量子網絡，服務于人類社會。自Bennett 和Brassard 1984 年提出并于1992 年首次實現原理性演示量子密鑰分發協議(即著名的BB84 協議) 以來，量子信息的發展進入了快車道，經過科研人員及企業團隊幾十年的不懈努力，人們已在量子信息學領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展還遠未到成熟的階段，因此天地一體化量子網絡的構建還尚需時日。一種未來可能的工作模式是：通過量子傳感網去感知不同物理量的變化，利用量子通信網絡將這些物理量變化的信息傳遞給由量子計算機構成的信息處理中心進行快速實時的分析和處理，并給出相應的應對策略，再由量子通信網絡傳送到相關的策略執行者。

一個量子網絡的基本架構由能夠存儲和處理量子信息的節點以及鏈接不同節點的信息傳輸信道構成，其中的節點主要由量子存儲器和量子計算機構成，信道則主要由自由空間或光纖信道組成。光子由于運動速度快、與環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的指數衰減問題，人們需要借助類似于經典通信體系使用的中繼技術，因此長距離的信息傳輸還需要量子中繼或通信衛星技術的協助才能完成。目前構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，實現量子計算機的物理平臺也是多種多樣的，如超導體、半導體、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成一個完整的網絡系統，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，其中氣態原子系綜由于具有光譜一致性、大光學厚度和長相干時間等優點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，這也是我們團隊選擇氣態原子作為物理平臺的主要原因。

一個量子網絡的構建離不開非經典態的產生、量子編碼、量子存儲與處理、量子接口、量子態傳輸以及探測和識別等核心技術。量子通信、計算和精密測量的實現離不開對各種量子態的操控，因此各種量子態的制備是開展量子信息研究的基礎，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；未來的量子通信網絡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，網絡的構建需要量子信息在不同的物理體系之間相互轉移，因此如何高效、高保真地連接不同的物理體系，即實現量子接口，就成為構建量子網絡的一項關鍵技術；量子通信的目標是實現遠程用戶之間的量子態傳輸，因此如何讓量子態高保真、遠距離傳輸是科研人員長期追求的目標；多體量子系統的相互作用是量子信息科學領域的一個重要研究方向。里德伯原子具有大的誘導電偶極矩使得它可以實現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手段；基于里德伯原子的微波電場測量由于具有自校準、可溯源及靈敏度不受熱噪聲影響等優點而備受人們的青睞，成為量子精密測量領域的一個研究焦點；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》緊緊圍繞量子網絡的構建這一核心目標，以堿金屬氣態原子體系為物理平臺，以網絡構建的關鍵技術研究為主要內容，在綜合他人研究成果的基礎上，系統介紹我們團隊在量子信息領域的研究成果，主要包括量子態的產生、量子態存儲、非線性頻率變換、量子模擬、手性量子光學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院量子信息重點實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助，在此深表謝意！

全書結構如下：前言，概括性介紹構建量子網絡的主要部分及所需的關鍵技術；第1 章為基礎知識，介紹本書研究內容依托的物理平臺(冷原子系綜) 和與之相互作用的光場(渦旋光場)；第2 章為非經典光源的制備，主要介紹利用原子體系制備非經典光源的工作；第3 章到第8 章系統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，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，側重于介紹我們團隊在多體模擬方面的一些進展；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展。全書以基于原子系綜體系的量子信息研究為線索串聯起來，為讀者全面了解相關物理知識和研究進展提供參考，每一章也可獨立成體系，供讀者選擇性閱讀。

本書適合量子信息、量子光學或物理專業高年級本科生、研究生 以及大學教師和相關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: 科學出版社, 2025. 12）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

(量子信息前沿叢書)

ISBN 978-7-03-084297-8

責任編輯：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上，系統介紹了中國科學院量子信息重點實驗室基于原子系綜體系開展的量子信息研究工作，主要內容包括量子態的產生﹑量子態存儲﹑非線性頻率變換﹑手性量子光學、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展。全書以原子系綜作為物理平臺將各章的內容串聯起來，為讀者全面了解相關物理知識和研究進展提供參考，每一章也可獨立成體系，供讀者選擇性閱讀。

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（本文編輯：劉四旦）

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