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。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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1998年毕业于中国科技大学物理系，获博士学位，导师郭光灿院士2007/12 - 至今，中国科技大学，物理学院，教授
2001/04-2004/11, 日本电气株式会社，基础研究所，JST研究员
2001/01 – 2007/12，中国科技大学，物理学院，副教授
1998/09 – 2000/12，中国科技大学，物理学院，讲师量子信息、量子光学杰青、教育部“新世纪优秀人才支持计划”无
目录
“量子信息前沿丛书”序言
前言
第1章 基础知识——冷原子系综的制备和轨道角动量光简介 1
1.1 磁光阱 1
1.1.1 亚多普勒冷却 4
1.1.2 暗磁光阱 9
1.1.3 原子团温度的测量 10
1.1.4 87Rb原子钟态制备 14
1.2 轨道角动量光简介 20
1.2.1 拉盖尔-高斯光场 21
1.2.2 完美涡旋光场 22
1.2.3 轨道角动量光的制备 23
1.2.4 轨道角动量光的探测与识别 31
参考文献 38
第2章 非经典光源的制备 43
2.1 引言 43
2.1.1 基于自发四波混频过程的非经典光子对制备 45
2.1.2 热原子双光子源的制备 49
2.2 自稳定纠缠源的制备 58
2.2.1 纠缠制备 58
2.2.2 窄带、高保真度偏振纠缠源的产生 59
2.2.3 实验结果 60
2.2.4 小结 65
2.3 窄带宽四光子GHZ态的制备 65
2.3.1 多光子态的种类 65
2.3.2 GHZ态的制备过程 68
2.3.3 GHZ态实验结果 72
2.3.4 小结 73
参考文献 74
第3章 量子存储 76
3.1 量子存储器简介 76
3.1.1 量子存储器的评价指标 76
3.1.2 存储介质 79
3.1.3 存储协议 81
3.2 影响基于原子系综的光存储器性能的主要因素 97
参考文献 100
第4章 经典结构光存储 105
4.1 结构光场(图像)光存储 105
4.1.1 简介 105
4.1.2 基于热原子系综的轨道角动量光存储 106
4.1.3 基于热原子系综的柱矢量光场存储 113
4.1.4 利用磁致协同效应延长任意横向空间模式的存储寿命 118
4.2 拉莫尔进动仿真的算法 126
参考文献 135
第5章 OAM量子态存储 137
5.1 单光子OAM态存储 137
5.1.1 能级结构和实验简图 137
5.1.2 标记单光子的制备 139
5.1.3 单光子的存储 139
5.2 二维OAM纠缠的存储 141
5.3 三维单光子OAM态的存储 145
5.4 长时间轨道角动量量子比特和三态量子比特存储 151
5.4.1 实验装置 152
5.4.2 实验结果 154
5.5 高效率高维态存储 160
5.5.1 高维态存储的实验装置 160
5.5.2 任意量子比特的量子存储 166
5.5.3 高效率的25维qudit存储 171
5.5.4 存储器的容量分析 172
参考文献 173
第6章 纠缠存储 176
6.1 二维OAM纠缠存储 176
6.2 高维OAM纠缠的存储 180
6.3 多DOF杂化和超纠缠存储 185
6.3.1 建立原子存储器之间的多自由度超纠缠 186
6.3.2 超纠缠中偏振自由度和OAM自由度之间独立性的检验 191
6.4 原子存储器之间多自由度杂化纠缠的建立 196
参考文献 199
第7章 基于EIT协议的双色偏振纠缠存储 202
7.1 研究背景 202
7.2 实验搭建 203
7.2.1 纠缠光源制备 203
7.2.2 存储前后纠缠验证 207
7.3 总结 210
参考文献 211
第8章 基于原子存储器的惠勒延迟选择实验 213
8.1 惠勒延迟选择实验的研究背景 213
8.2 实验内容 215
8.2.1 实验原理简介 216
8.2.2 实验结果 218
8.3 总结 223
参考文献 223
第9章 基于铷原子的非线性频率变换 226
9.1 铷原子频率变换的研究背景 226
9.2 高斯光的频率变换 228
9.2.1 理论分析 228
9.2.2 频率变换的实验实现 233
9.2.3 小结 237
9.3 基于POV编码的高维态的频率变换 237
9.3.1 实验装置介绍 238
9.3.2 不同二维叠加态的频率变换 240
9.3.3 高维叠加态的频率变换 242
9.3.4 小结 245
参考文献 245
第10章 量子信息技术的新范式：手性量子光学的研究进展与应用 247
10.1 引言 247
10.2 手性的起源和表征 248
10.2.1 手性的起源 248
10.2.2 螺旋度和手性的经典定义 249
10.2.3 螺旋度和手性的量子力学形式 250
10.2.4 手性场和物质的相互作用 253
10.3 手性量子光学的应用及相关研究进展 256
10.3.1 单光子开关和二极管 256
10.3.2 光环形器 266
10.3.3 量子态单向路由 268
10.3.4 手性量子网络 270
10.4 总结 272
参考文献 273
第11章 基于里德伯原子的多体相互作用研究 279
11.1 引言 279
11.2 里德伯原子系统性质 281
11.2.1 里德伯原子的相互作用和阻塞效应 282
11.2.2 阻塞效应导致的空间结构 285
11.2.3 相干多体拉比振荡 286
11.2.4 分析里德伯原子多体系统的理论方法 288
11.3 里德伯原子多体系统应用 290
11.3.1 单光子产生器 290
11.3.2 量子存储 292
11.3.3 单原子成像 293
11.3.4 多体系统的演化探究 295
11.3.5 多体量子模拟 298
11.3.6 量子光开关与单光子晶体管 301
11.4 总结与展望 302
参考文献 302
第12章 基于里德伯原子的微波电场测量 307
12.1 里德伯原子的基本特性以及它对外场的感知机理 307
12.1.1 基于EIT-AT效应的里德伯原子对微波电场的感知原理 309
12.1.2 国内外研究现状及发展动态 317
12.2 里德伯原子微波传感技术的优点 327
参考文献 328
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