基于光与物质相互作用的量子信息处理

量子信息处理是量子力 学和信息论相结合的新兴交 叉领域，它可以突破现有信 息处理的极限，在处理速度 、容量、安全性、检测精度 等方面达到前所未有的高度 。本书从量子光学的基本理 论出发，介绍了原子与光子 相互作用的基本原理和处理 方法，分析了不同空间模式 、不同统计性质的光子对量 子信息处理的影响。后三章 着重介绍超导人工原子与微 波光子间的量子信息处理， 包括电路量子电动力学的基 本知识和部分量子计算方案 。本书在介绍基本概念的同 时，融入了相关内容的一些 研究工作。本书由浅入深、 循序渐进，适宜由物理、材 料、光学等专业高年级本科 生及研究生选读，也是量子 信息、量子光学研究工作者 一本有用的参考书。

第1章 绪论 1.1 量子信息处理 1.1.1 量子计算 1.1.2 量子通信 1.1.3 量子测量 1.1.4 量子网络 1.1.5 量子中继器 1.1.6 量子信息处理的物理实现 1.2 光与物质的相互作用 1.2.1 自然原子与光子的相互作用 1.2.2 超导人工原子与微波光子的相互作用 第2章 电磁场的量子化 2.1 电磁场的量子化 2.2 单模谐振子和光子数态(Foek态) 2.3 相干态 2.4 电磁场的正交分量算符 2.5 压缩态 2.6 多模压缩态 2.7 连续光场的量子态 2.7.1 三维连续模量子场 2.7.2 Fock态光子波包 2.7.3 相干态光子波句 2.7.4 不同模式的一维波包形式 第3章 原子与电磁场的半经典相互作用 3.1 二能级原子 3.1.1 玻尔原子模型与二能级近似 3.1.2 二能级原子的赝自旋1／2模型表示 3.2 二能级原子与经典电磁场的相互作用 3.2.1 偶极近似和偶极相互作用 3.2.2 单个二能级原子和单模经典场的相互作用 3.2.3 旋波近似(RWA) 第4章 原子与量子化电磁场的相互作用 4.1 量子Rabi模型 4.1.1 旋转波近似和Jaynes-Cummings模型 4.1.2 非耦合的原子-腔场系统 4.1.3 原子-腔场的耦合系统 4.2 共振条件下的原子一腔场耦合 4.2.1 真空Rabi振荡 4.2.2 相干场引起的坍缩和恢复 4.3 自由空间原子的自发辐射 4.4 腔QED系统的不同耦合机制 4.4.1 弱耦合：Purcell效应 4.4.2 强耦合：阻尼Rabi振荡 4.4.3 超强耦合：量子Rabi模型 第5章 原子与光脉冲的一维相互作用 5.1 量子海森堡-朗之万方法 5.2 原子的布居数 5.2.1 再访原子的自发辐射 5.2.2 单光子Fock态波包对应的原子激发 5.2.3 单光子相干态波包对应的原子激发 5.3 关于光子脉冲时间包络的数值分析 5.3.1 特例：偶极子模式 5.3.2 脉冲带宽的影响 5.3.3 阻尼Rabi振荡 第6章 半腔中基于单个二能级原子的 量子存储器 6.1 量子存储器模型 6.1.1 一般光学布洛赫方程 6.1.2 量子存储器的特征 6.1.3 信息写入过程：光子吸收 6.1.4 读出过程：光子再辐射 6.2 time-bin量子比特的量子存储仿真过程 6.3 物理实现 第7章 量子电路QED系统的基本器件 7.1 基本电路元件 7.2 电路量子化 7.3 超导量子比特 7.4 四结磁通量子比特 第8章 超强耦合的物理实现和实验进展 8.1 半波长超导共面波导谐振腔 8.2 超导量子比特的制备 8.3 超强耦合的实验进展 第9章 电路QED中的超快量子计算 9.1 一种通用的磁通量子比特的设计方案 9.1.1 量子比特的势能 9.1.2 量子比特的动能 9.2 非均匀传输线谐振腔 9.2.1 非均匀谐振腔的拉格朗日量 9.2.2 正常模式分解 9.2.3 增强的相位偏置 9.2.4 边界条件的影响 9.2.5 传输线谐振腔的量子化 9.2.6 色散关系 9.3 磁通量子比特-谐振腔的整体系统 9.3.1 量子比特-谐振腔系统的哈密顿量 9.3.2 数值分析 9.3.3 非均匀的传输线谐振腔的特性 9.3.4 整体哈密顿量的数值模拟 9.4 双量子比特的超快量子门方案 参考文献