第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

量子信息科学[1]是以量子力学和信息学为基础研究信息处理的一门新兴学科，包含量子计算[2-3]、量子通信[4-5]和量子精密测量[6]三大分支，为保密通信和高性能计算提供了革命性的解决方案。量子信息科学是在摩尔定律濒于失效、芯片即将达到它以经典方式工作的尺度极限的情况下应运而生的，其充分利用量子力学基本原理和量子的相干特性，探索以全新的方式进行信息的编码、计算和传输的可行性，为突破芯片尺度极限提供新概念、新思路和新途径。

近几十年来，量子信息科学迅猛发展，相关实验技术飞速演进，基于光纤的量子密钥分配已发展为可商用化的水平，我国发射了全球第一颗量子科学实验卫星，基于可信量子中继技术在北京和上海之间建立了量子密钥分配线路，开展了一系列科学研究，取得了一批重大科研成果；谷歌、IBM、英特尔、微软等在内的多家大型跨国公司已在量子计算领域投入巨资，用于量子计算机的研发等。由此可见，量子信息科学是近年来热门的前沿研究领域之一。

量子信息处理的基本单元是量子态，其非常脆弱，很容易受外界环境的影响而被破坏或丢失。例如，光在信道中传输时呈指数级衰减，传输100km后只剩下不到百分之一[7]。然而，量子不可克隆原理告诉我们不能像经典通信系统中的信号放大器那样对量子态进行无噪声放大。解决传输损耗问题的一种可行方案是基于量子存储建立量子中继器[8]，其基本思想是将长距离的量子通信分割成多段短距离量子通信，通过纠缠交换将指数级损耗变为多项式损耗。实现上述过程的核心器件是量子存储器，其是根据需要可以存储和提取非经典量子态的系统。除在远距离量子通信中具有重要应用之外[4-5]，在量子计算中，借助量子存储器可以寄存和同步各种量子态[9-10]。另外，量子存储器还可以用来验证量子物理基础问题[11]、预报单光子变为确定性单光子[12]、提高量子逻辑门的成功概率[3]、实现量子计量学和磁测量[13]等。

光子因传播速度快、易于相干操控等一系列优点已被公认为理想的量子信息载体。原子可弥补单纯操控光子的局限性，是当前量子信息理想的存储介质。光和原子优势互补，是量子信息科学最重要的研究对象。传统的光存储方法会导致光量子态被破坏。要想使光量子信息存储于原子介质中，必须寻找新的有效的存储原理和存储方法。