前言

量子力学是人类探究微观世界的重要理论结晶，与相对论共同构成了现代物理学的两大支柱。尽管量子世界还有很多难题需要攻克，但量子力学与各学科的深度交叉融合有力推动了新一轮科技革命和产业变革。量子信息科学就是利用量子力学的基本原理进行信息处理的交叉学科。近年来，以量子计算、量子通信和量子精密测量等为代表的量子信息技术受到极大关注，得到飞速发展，取得丰硕成果。

量子信息科学将彻底颠覆经典的信息技术体系。例如，量子计算呈指数级地提高信息处理速度，量子通信可以从物理原理层面确保信息传输安全，量子精密测量可以实现测量精度的再一次飞跃发展。因此，量子信息科学受到全世界前所未有的重视，世界主要科技强国纷纷出台量子信息技术战略计划。

量子信息科学的发展绕不开量子存储器。量子存储器，顾名思义，就是按需存储、提取诸如单光子、压缩态、纠缠态等量子态的系统，是实现远程量子通信、量子计算机必不可少的核心器件。在量子通信中，借助量子存储器建立的量子中继器可以解决量子态的保真度随通信距离的增加而呈指数级下降的问题；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。另外，量子存储器还可以用来验证量子物理基础问题、预报单光子变为确定性单光子、提高量子逻辑门的成功概率、实现量子计量和磁测量等问题。经过几十年的研究，基于不同物理原理、不同物理体系的多种候选量子存储方案相继被提出，并得到深入研究，已经从最初的原理性演示逐步发展到如今的近乎可实用化。但是，衡量量子存储器的性能指标，如保真度、存储效率、工作波长、按需提取、多模容量、易用性等，仍不能在一个单一的物理系统中得到满足，仍有大量的问题需要解决，还需要科研工作者长期不懈的努力。

作者从研究生期间就一直从事光信息可逆存储相关方面的研究工作，致力于提高光存储器的部分性能指标。借鉴前辈们的开创性成就和智慧结晶，作者结合自己十余年埋头钻研、孜孜以求取得的成果，整理、编排成本书。本书主要内容分为6章。第1章为绪论，概述光信息可逆存储的研究背景、意义和现状。第2章介绍光信息可逆存储的相关物理概念及理论工具，主要包括描述量子系统的3种绘景、光场与物质相互作用的半经典和全量子理论、电磁感应透明、光的群速度减慢、量子纠缠、光信息存储方法等内容。第3章研究基于电磁感应透明效应的光信息存储，涉及单模和多模弱信号光、纠缠光、二维图像等在热运动原子介质中的动力学演化行为。第4章讨论基于拉曼过程的频率纠缠和极化−频率纠缠的高效制备。第5 章探究静态光脉冲形式的光信息存储，涵盖静态光脉冲的优化产生、静态纠缠光子对的相干产生和操控。第6章设计若干基于光信息存储与提取的全光分束器，主要包括基于光信息存储的全光强度分束器和全光偏振分束器、二维图像加法器和减法器等。本书可为有志从事光信息存储与提取相关领域研究的人士提供参考与借鉴。

近年来，量子信息科学发展如此之快，成果如此之多，鉴于作者所知有限，一定有适宜纳入本书的优秀成果未被收纳，请广大读者查阅相关文献。

限于作者的水平和时间，文中错误、疏漏之处在所难免，敬请广大读者不吝指正。

作者

2023年3月于青岛