:光量子存储

编辑推荐

本书属于应用科学性专著，学科跨度较大，选材丰富，结构完整，内容具有较强的前瞻性，学术水平达到国际水平和国内先进水平。

内容简介

　　《光量子存储》在收集整理迄今为止光量子存储领域已取得的主要研究成果的基础上，对光量子用于信息存储的必要性、可能性和存在的主要问题进行了比较全面和系统的探讨和介绍。主要内容如下：第1章简要介绍光量子存储发展的过程和与光量子存储相关的前沿科学技术，包括量子信息科学新进展及量子光学对信息存储做出的贡献。第2章讨论光量子存储的理论基础——量子信息论的基本概念、研究目标和任务，以及基本物理现象，包括量子存储中的不确定原理、量子概率论、信道容量、量子密集编码、量子数字压缩以及与量子信息存储有关的光子技术基础知识。第3章介绍光量子存储工程应用相关知识，包括纳米光子学、光控量子记忆功能及光子存储器的量子分析、无衰□亚稳态效应、存储效率与量子分布场计算、绝热存储控制场的优化及量子存储中光子数字分析计算，以及气态原子中的单光子记忆功能，单原子介质用于光子存储的可行性分析。第4章介绍光量子固态存储典型结构原理，包括全光固态存储、量子纠缠存储、光子与旋转量子点之间的纠缠、不同晶体之间的量子纠缠及基于Raman散射原理的量子纠缠、单原子中量子纠缠存储、光量子波导存储，自旋量子存储和存储于原子中的量子态及量子存储容量分析，第5章介绍量子化学固态存储，包括光子化学非凝聚态半导体辐射化学、有机光化学及量子化学固态存储基本技术。集成光子学元件机构与基础材料，光学互联、全光固态存储单元、电光混合光子集成存储信号处理。第6章介绍以光量子存储技术为基础的类脑存储、神经网络存储、相位调制随机存储、幂迭代矩阵矢量光计算及极性分子可编程处理器等有代表性的智能化光子存储原理和相关技术。另外，为了使基础理论研究与未来工程应用有机结合，第7章和第8章分别介绍了光量子固体存储器设计及加工制造中的核心技术问题。包括关键部件设计和核心加工工艺设备及材料，以及光量子存储器中光子芯片、基板、互联、纳米光子集成、原子尺度工艺纳米结构制造和纳米结构自组装等技术。
　　《光量子存储》涵盖量子光学、量子信息论、集成光学、纳米光子学、光子化学、表面物理和纳米结构制造工艺及测试等相关新兴学科。书中将这些背景差异较大的知识融会贯通，以简练的表达方式使不同研究领域的读者对光量子存储机理获得准确的理解。同时，考虑到光量子存储器件的实验加工以及未来工业化应用的需要，该书用四分之一的篇幅介绍了光量子存储器件的设计加工设备工艺问题。因此，该书除了可供相关领域的科技人员及研究生、本科生参考外，也可供对新兴高科技产业有兴趣的专业人士参考。

前言序言

　　世界已步入信息社会，全球每分钟互联网新增的数据超过数万亿字节，每天各种媒体发布和刊载的数据资料，包括视频、音频、图片和文档总量达到甚至超过拍字节（1015B）量级。如此高速增长的数据量都需要存储，无论对固定或移动存储器都是极大的挑战。随着科学技术的进步，未来信息存储将具有如下特征： 记录单元将进入分子、原子量级。自然界或人工合成的许多物质中都能找到性能非常稳定的原子或分子，可通过外加的影响改□其状态用于信息记录； 多维/多元存储将取代传统的平面二维存储，信息存储容量不仅是记录单元所占用的空间尺寸的函数，也是同一物理空间内其他各稳定参量的函数，即多维/多元编码存储； 完全取消机械运动部件，排除机械系统速度、加速度的制约； 实现空间交叉互联，信息存储与处理结合， 并行读写、编码、压缩及高层次智能化处理，最终实现不受容量、内容、表达方式和处理方法限制的智能化信息存储系统。因为光量子存储不仅可以达到分子、原子量级，而且还有多种物理状态（吸收、辐射、谐振、纠缠、偏振、干涉、衍射等）用于存储信息，可将每个单元存储容量提高若干数量级，是最易于同时实现上述目标的最佳解决方案。并且，不仅可独立存储记忆完整的概念、物理定义、数学模型或图形和图像，而且通过互联实现一定的处理功能，为大数据的智能化存储开辟了一条新途径。另外，光量子存储在散热和抗交叉干扰等方面不存在技术屏障，具有低能耗、容易实现存储单元之间互联、空间耦合相关处理以及大规模集成加工生产等优点，适应未来的信息系统，特别是人工智能新型计算机及其他信息技术发展的需求。
　　作者在总结收集整理国内外迄今为止光量子存储领域所取得的□□研究成果的基础上编写了此书。除了针对光量子存储技术涉及的基本原理进行了较系统的介绍外，尽可能地将已实现的或正在研究中的各种实验方案逐一介绍。同时，包括作者近年来在国内外相关的学术交流活动中接触到的有关光量子与介质相互作用记录信息的新机理、研究发展技术路线、存储系统实验研究方案，以及在存储密度、容量、数据传输速率及可靠性等方面获得的具体实验数据资料。
　　光量子存储基于光子与介质之间的物理、化学反应。实验证明，许多物质原子发射的光量子在与其他物质的原子之间相互作用时，可得到多种稳定可逆的物理状态。这些转换过程，大部分可用能量密度矩阵运动方程或迭代矩阵量化描述。例如，掺钕铌硅酸盐晶体受激产生的光量子不仅具有良好的相干性，而且能使掺钕铌硅酸盐晶体产生可控的光量子跃迁和二次受激非线性光子辐射。根据物理数学模型仿真及初步实验结果证明，在此类物质与光量子相互作用过程中，光子的非线性传输和多模态完全有可能用于构建静态或动态光量子固态存储器。另外，光量子与物质的可逆异构化效应，包括许多高分子材料吸收光量子后产生的内部结构与光学特性的可控□化，有机或无机介质双光子吸收耦合非线性效应及其选频吸收，均证实光子具有良好的可控存储信息的特性。实验结果还证明，纳米晶体薄膜、非晶态光致□色材料、高分子材料同样具有高电离子域化合价转换效率、高稳定性、复合噪声低、能耗低及结构设计灵活性大等优点，非常适合工程应用的要求，便于未来实现系统集成及规模化生产。
　　本书涉及学科非常广泛，除了量子光学、量子信息论、集成光学、非线性光学、纳米光子学、光子化学、表面物理及统计物理等基础学科外，还与许多□□前沿工程技术相关。作者在本书的编写过程中，发现许多知识结构体系之间的“断层”，例如某些定义、符号及数学模型不一致； 部分外文专业词汇没有统一的中文翻译。所以在编写过程中对某些数学模型及其推导过程尽可能删繁就简，采用文字描述，对于比较特殊的符号和定义均加适当的注释，不常见的专业词汇仍保留原词作为对照，希望能通过比较简练的表达方式将光量子存储的物理化学过程展示给读者，使读者对光量子存储的本质和机理有较准确的认识和理解，以便在此基础上，能顺利接受和理解光量子存储中特有的问题及处理方法，例如，不同频率光子态的耦合波方程、光子在介质中的非线性传输模型、光子能量转换效率计算、光量子能耗分析及可靠性计算等重要数学工具和计算方法。此外，为解决本书内容涉及基础理论类型较多，使用符号比较复杂，容易混淆问题，特将本书中使用的重要符号，根据它的物理意义和数学表达方式分类整理作为附件列于书后，供读者查阅参考。
　　本书内容前沿，涉及众多学科，□量符号繁多，尤其是量子科学的□量符号很特殊也很复杂，虽然有些□量符号按照出版规范应该排成黑斜体（比如矩阵和矢量），但为了读者阅读方便，同时也和国际上相关领域科技文献统一，而且本书原稿最初也是用英文写成，其中有些内容已在国外出版英文专著，本书□量符号都统一排成白斜体，特此说明。
　　本书的部分重要内容，例如基于光化学光固态存储器、光量子记忆功能、光量子集成器件三维结构设计制造及无掩膜纳米光刻等，都曾经在清华大学相关专业高年级研究生选修课及其他学术机构组织的专题中使用过。这些内容相对比较独立，且提供了较完整的参考文献目录，适合各种数字化演示文件的制作。在编写本书时仍保留了此特色，并根据光量子信息存储技术的新发展和学科体系进行了全面的补充调整，增添了部分综述性介绍和简要的总结归纳。所以，本书也适合作为相关专业的研究生或本科生的教材。在上述学术交流活动中，作者还曾收到希望将本书内容扩展为一个多学科综合应用培训平台的建议，虽然其重要性是显而易见的，但实际操作难度很大，短期内无法实现。期望通过此次出版发行，充分听取广大读者意见和实际应用考核后再考虑全面修改补充。
　　光量子信息存储研究的这些特点，曾经引起许多不同学科领域、具有不同研究背景和阅读目标读者群的关注。即这些读者虽然不具体从事光量子存储研究，但对本研究课题中涉及的多学科交叉研究方法或成果颇感兴趣。作者对此十分珍视和欢迎，这种跨学科的互动恰恰是光量子存储技术学科发展的特色和继续进步的潜源。所以在编写过程中，对相关学科在光量子存储研究中的实际应用和贡献都进行了较详细的介绍。例如，基于纳米光子学的量子内物质相互作用、纳米光学器件的加工工艺设备、高效宽带光量子传感等内容都有专门章节系统描述。除了因为这些知识对光量子信息存储研究不可缺少外，更希望这类具有战略意义的跨学科研究课题能获得各方面专业人士、专家学者的关心和支持。更好地获得各相关学科的支持，推动光量子存储的发展，对未来研究开发新一代存储器件有所裨益。例如，为了配合光量子信息存储的基础研究，清华大学利用自行研制的激光阵列扫描三维加工装置和精密压印成型技术，进行了多种光化学反应多阶调制实验芯片以及其他具有纳米结构实验器件的研制。虽然这些实验装置和工艺技术与大规模实用化还有很大的距离，但足以证明实现光量子存储器件的产业化生产并非存在不可逾越的鸿沟，对其他领域的超精密加工制造也有一定的参考价值。
　　在本书出版之际，作者首先要向鼓励和支持完成此书的专家、教授及清华大学出版社的编辑致以崇高的敬意； 对听过相关讲座或参与研讨的朋友们表示衷心的感谢。光量子存储属于新兴学科，发展迅速，日新月异。由于作者在此领域的研究深度有限，不可能全面反映目前国内外的研究水平和状态，书中不足在所难免，衷心希望广大读者批评指正。

目录

第1章 概述
1．1 光量子存储发展历程
1．2 物理实现
1．3 可控偶极量子存储
1．4 双能级谐振光量子存储
1．5 梯度回波存储
1．6 精密自旋回波量子存储
1．7 量子存储保真度及可靠性
1．8 量子光学与集成光学的贡献
参考文献

第2章 量子信息论基础
2．1 量子信息科学发展概况
2．2 物理概念
2．3 量子纠缠
2．4 量子信道
2．5 增强传输
2．6 量子概率
2．7 量子密集编码
2．8 量子数据压缩
参考文献

第3章 光量子存储原理
3．1 基础材料及器件
3．2 纳米光量子存储
3．3 光量子在存储器中的作用
3．4 存储光量子控制
3．5 系统集成
3．6 原子中光量子存储效应
3．7 量子存储效率
3．8 光子与电子受限及协同作用
参考文献

第4章 量子纠缠存储
4．1 量子纠缠态
4．2 不确定原理
4．3 旋转量子纠缠
4．4 Raman散射纠缠
4．5 单光子纠缠
4．6 室温下光量子纠缠存储
4．7 单原子量子纠缠
4．8 光子波导延迟纠缠存储
4．9 量子纠缠存储容量
参考文献

第5章 光量子化学存储
5．1 光化学基础知识
5．2 光量子化学存储机理
5．3 光化学存储材料及工艺特性
5．4 多波长光量子存储
5．5 光子双稳态存储
5．6 非线性偏振调制多维存储
5．7 固态光化学存储器主体结构
5．8 辅助元件
5．9 二元光存储
参考文献

第6章 光量子类脑存储
6．1 智能存储研究发展现状
6．2 类脑存储模式
6．3 量子逻辑、信号冻结与再生
6．4 神经网络存储
6．5 相位调制随机存储
6．6 幂迭代矩阵矢量光计算
6．7 极性分子存储及可编程处理
6．8 分子色团光存储与计算
6．9 单光子存储
参考文献

第7章 光子器件集成
7．1 微米光机电混合集成
7．2 微光学开关阵列
7．3 光存储器平行异步连接
7．4 光存储芯片基板互联
7．5 纳米金属表面等离子元件
7．6 单光子源
7．7 特殊功能衍射光学元件
7．8 光子晶体器件
7．9 纳米器件
参考文献

第8章 纳米光量子器件制造工艺
8．1 纳米探针
8．2 纳米压印
8．3 光学无掩模光刻
8．4 极紫外光刻
8．5 等离子纳米工艺
8．6 纳米结构材料
8．7 光子晶体
8．8 平面纳米结构制造
8．9 自组装超薄抗蚀剂膜
参考文献
附录A 物理-化学常数
附录B 常用数学符号
附录C 理论计算符号
附录D 概率分析计算符号
附录E 测量单位符号
索引

作者简介

徐端颐，清华大学教授，博士生导师，长期从事光信息存储及光学微加工技术的研究。1960年毕业于清华大学留校任教，在利用超精细聚焦光束进行精密加工研究方面，完成多种型号的“分步重复照相机”，“自动对准投影光刻机”、“紫外曝光铬版精缩机”集成制造关键设备的研制。在高密度光信息存储的研究中，通过建立光学信息存储物理数学模型，揭示了以□□息符的形成过程为代表的光与物质相互作用过程中光能时空分布与介质物理参量□化之间的关系，完成了多种型号的光盘机、光盘库、光盘塔、光盘阵列、光盘拷贝机、光盘测试系统、光盘文档管理系统、光盘医学图像系统、中国学术期刊光盘存储系统等产品的研制与开发。

提出利用光的频率维扩大信息存储容量的基础研究，建立以光学多阶编码代替传统二近制编码的数字式光盘存储数学模型，并将以上两种技术结合，组成了以多波长多阶存储技术为核心的进一步提高光盘存储密度的新途径。完成光盘存储系统结构模块化、标准化设计及超大容量光盘存储系统集成的应用研究，将脉宽调制与光束展宽长度调制相结合，解决了用同一结构光学系统读写不同特性记录介质的光盘兼容问题，以及超大容量光存储系统中数据结构结构标准、高速数据存取、数据安全性与信息资源多用户