郭光灿院士团队量子信息领域的研究成果：《中性原子系综与量子信息》

量子信息科学是利用量子力学基本原理完成信息处理任务的一门交叉学科。量子信息科学的发展有三个重要阶段性目标:

一

构建通用量子计算机，并利用它帮助人类快速、高效地解决某些经典计算机难以解决的复杂问题，比如基于大数因子分解的公开密钥破译问题等，展示强大的计算能力，并为天气预报、大数据处理、新药研发等提供有效帮助；

二

实现远程量子通信和基于量子密钥分发的保密通信，基于量子通信人们可以实现远程用户之间的量子态传输，而通过量子密钥分发技术可以使两个远程用户以绝对安全的方式进行信息交流，从而建立具有物理感知能力的安全通信体系；

三

帮助人们提高对物理量的测量精度，突破传统测量技术的测量极限，并在特定环境中抵御噪声干扰，实现高精度惯性导航、超灵敏微波探测、

量子信息发展的最终目标是通过将以上三者有机结合，形成一个天地一体化的量子网络，服务于人类社会。自Bennett 和Brassard 1984 年提出并于1992 年首次实现原理性演示量子密钥分发协议(即著名的BB84 协议) 以来，量子信息的发展进入了快车道，经过科研人员及企业团队几十年的不懈努力，人们已在量子信息学领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发展还远未到成熟的阶段，因此天地一体化量子网络的构建还尚需时日。一种未来可能的工作模式是：通过量子传感网去感知不同物理量的变化，利用量子通信网络将这些物理量变化的信息传递给由量子计算机构成的信息处理中心进行快速实时的分析和处理，并给出相应的应对策略，再由量子通信网络传送到相关的策略执行者。

一个量子网络的基本架构由能够存储和处理量子信息的节点以及链接不同节点的信息传输信道构成，其中的节点主要由量子存储器和量子计算机构成，信道则主要由自由空间或光纤信道组成。光子由于运动速度快、与环境耦合小而成为信息传输载体的最佳选择。为了克服信号光在信道中传输的指数衰减问题，人们需要借助类似于经典通信体系使用的中继技术，因此长距离的信息传输还需要量子中继或通信卫星技术的协助才能完成。目前构建量子存储器的物理平台有很多，包括原子体系、离子、稀土掺杂晶体等，同样，实现量子计算机的物理平台也是多种多样的，如超导体、半导体、中性原子、离子等。不同的物理体系各有特色，目前尚不能利用一种物理体系构成一个完整的网络系统，因而量子信息的研究体系仍然处于“百家争鸣、百花齐放”的局面。

研究量子信息的物理体系多种多样，其中气态原子系综由于具有光谱一致性、大光学厚度和长相干时间等优点而备受科研人员的青睐，成为量子信息研究的重要物理平台，这也是我们团队选择气态原子作为物理平台的主要原因。

一个量子网络的构建离不开非经典态的产生、量子编码、量子存储与处理、量子接口、量子态传输以及探测和识别等核心技术。量子通信、计算和精密测量的实现离不开对各种量子态的操控，因此各种量子态的制备是开展量子信息研究的基础，而量子编码解决的是如何在载体上加载信息的问题；量子存储器则是信息处理和长距离传输不可或缺的单元；未来的量子通信网络可能由不同的物理体系组成，不同物理体系的工作波长/窗口存在差异，网络的构建需要量子信息在不同的物理体系之间相互转移，因此如何高效、高保真地连接不同的物理体系，即实现量子接口，就成为构建量子网络的一项关键技术；量子通信的目标是实现远程用户之间的量子态传输，因此如何让量子态高保真、远距离传输是科研人员长期追求的目标；多体量子系统的相互作用是量子信息科学领域的一个重要研究方向。里德伯原子具有大的诱导电偶极矩使得它可以实现原子之间的长程相互作用，为研究多体量子物理提供了有力的技术手段；基于里德伯原子的微波电场测量由于具有自校准、可溯源及灵敏度不受热噪声影响等优点而备受人们的青睐，成为量子精密测量领域的一个研究焦点；等等。

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中性原子系综与量子信息购买

史保森, 郭光灿著

北京: 科学出版社, 2025. 12

(量子信息前沿丛书)

ISBN 978-7-03-084297-8

《中性原子系综与量子信息》紧紧围绕量子网络的构建这一核心目标，以碱金属气态原子体系为物理平台，以网络构建的关键技术研究为主要内容，在综合他人研究成果的基础上，系统介绍我们团队在量子信息领域的研究成果，主要包括量子态的产生、量子态存储、非线性频率变换、量子模拟、手性量子光学研究以及微波测量等方面的工作。作者在撰写本书过程中得到了中国科学院量子信息重点实验室各位同事及多模量子存储与光子操控研究组全体师生的大力支持和协助，在此深表谢意！

全书结构如下：前言，概括性介绍构建量子网络的主要部分及所需的关键技术；第1 章为基础知识，介绍本书研究内容依托的物理平台(冷原子系综) 和与之相互作用的光场(涡旋光场)；第2 章为非经典光源的制备，主要介绍利用原子体系制备非经典光源的工作；第3 章到第8 章系统介绍基于原子系综的量子存储，特别是高维量子存储的重要进展；第9 章为量子接口，主要介绍如何通过非线性频率变换连接不同物理平台的工作；第10 章为手性量子光学，主要介绍基于原子体系的量子非互易传输；第11 章为量子模拟，侧重于介绍我们团队在多体模拟方面的一些进展；第12 章为微波电场测量，简要介绍我们在基于里德伯原子体系开展微波电场测量方面的一些进展。全书以基于原子系综体系的量子信息研究为线索串联起来，为读者全面了解相关物理知识和研究进展提供参考，每一章也可独立成体系，供读者选择性阅读。

本书适合量子信息、量子光学或物理专业高年级本科生、研究生 以及大学教师和相关科技工作者阅读参考。

本文摘编自《中性原子系综与量子信息》（史保森, 郭光灿著. 北京: 科学出版社, 2025. 12）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(量子信息前沿丛书)

ISBN 978-7-03-084297-8

责任编辑：周 涵 孔晓慧

本书在阐述基本工作原理和综合他人研究成果的基础上，系统介绍了中国科学院量子信息重点实验室基于原子系综体系开展的量子信息研究工作，主要内容包括量子态的产生﹑量子态存储﹑非线性频率变换﹑手性量子光学、量子多体模拟以及基于里德伯原子的微波电场测量等方面的进展。全书以原子系综作为物理平台将各章的内容串联起来，为读者全面了解相关物理知识和研究进展提供参考，每一章也可独立成体系，供读者选择性阅读。

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（本文编辑：刘四旦）

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