量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2019年第4期

• 基于时间和空间关联的运动物体成像方案研究

  郭辉1,2,魏朝鹏1,何儒勇1,林泽群1,王乐1,赵生妹1

  关联成像提供了一种利用常规手段难以获取图像信息的方法，是近年来量子光学领域研究的前沿和热点之一。近年来，在空间关联成像技术基础之上，出现了时间关联成像。本文集空间和时间关联成像于一体，研究了运动物体的关联成像方案。首先，物体的运动被分割为一系列的图片帧，第一帧选作空间关联的目标物体。其次，将帧间运动物体相对位置信息编码构成的时间信号作为时间关联的目标信息。分别通过空间和时间关联成像技术，非局域地获取第一帧图片和时间信号；根据设定的规则，将时间信号转换为帧间运动物体的空间相对位置，结合第一帧图片对运动物体进行移位操作，获得第二帧图片；在第二帧图片基础上，结合时间关联成像恢复的相对空间位置信息，恢复出第三帧图片。以此类推，获得所有帧图片，最后综合成物体的运动。通过数值仿真对该方案的可行性进行了验证。相比于已有运动物体关联成像方案，该方案降低了运动物体多帧关联成像的数据量和重构时间，为非局域地探索运动物体成像提供了一个新的研究思路。

• 基于量子进化的信号稀疏分解方法

  余发军1*,瞿博阳1,刘义才2

  稀疏分解将信号表达为冗余字典中少量原子的线性组合，其分解的精度对其广泛应用具有重要影响。提出的基于量子进化算法的稀疏分解方法，利用增强型量子比特概率幅对Gabor原子进行染色体编码，采用简化形式的梯度进化操作和逐代缩减的变异操作进行种群个体的更新，以稀疏分解的残余信号与Gabor原子的内积作为适应度函数，筛选出每次稀疏分解的最佳原子。通过两个仿真信号的稀疏分解实验和轴承振动信号的故障特征提取实验，验证了所提方法较其他方法具有更高的分解精度。

• 基于单幅图像的雾霾图像快速还原方法

  钱江,方勇华,吴军

  在单幅图像的条件下，为了能更快的实现雾天图像的复原，且使其在雾天和霾天的状况下均能获得较好的复原效果。对基于暗原色先验的雾图还原方法和基于人眼视觉理论的Retinex方法进行了结合和改进。其中对前者的大气光强度的估算进行改进，并对灰霾天气状况下图像色彩进行矫正，使其对雾天和灰霾天气图像均适用。此外将暗原色先验理论中的透射率估算进行简化，同时结合Retinex算法，实现了雾霾图像的实时处理。经试验验证，该方法对道路监控等应用场景下的雾霾图像处理有较好的效果，同时保证了处理的实时性。

• 跟踪望远镜机架的热结构分析

  董丽媛1,张巳龙2*,何枫2,秦来安2,谭逢富2,靖旭2,张守川2,侯再红2,吴毅2

  为了研究极端温度环境对跟踪望远镜指向精度的影响，利用ANSYS Workbench有限元分析软件，建立跟踪望远镜机架的有限元模型，通过稳态热分析，得到高、低温环境中机架在太阳辐射、空气对流、电器件产热及热传导作用下的温度场分布；再通过结构静力学分析，得到机架在以上温度场作用下的热变形。分析结果显示：在高、低温工况下，机架轴系的偏斜角均小于30秒，在误差允许范围内。得出结论为：极端温度环境中跟踪望远镜机架的方位转轴、俯仰转轴及光路视准轴基本没有发生偏斜，跟踪望远镜的指向精度几乎没有受到影响。

• 立方非线性Schr\"{o}dinger方程新精确解

  马志民1,*,孙峪怀2,

  构造立方非线性Schr\"{o}dinger方程精确解有助于方程相关物理背景的理解。利用广义exp(-\phi(\xi))-展开方法，借助符号计算系统-Maple，获得了立方非线性Schr\"{o}dinger方程的多种精确解，如双曲函数解、三角函数解和有理函数解，其中包括一些新的结果。这些新的结果有助于在光通信中的应用。同时，可见此展开方法对求解数理问题中的非线性偏微分方程是非常有效的。

• 1060 nm啁啾可调谐方波脉冲光纤激光器

  黄家崑,李淑杰,许立新

  出一种耗散孤子共振（DSR）脉冲与随机啁啾脉冲可调的方波光纤激光器，并搭建一种全光纤啁啾测量系统来研究其输出啁啾特性。实验结果表明，通过调节腔内偏振控制器可产生DSR脉冲和随机啁啾方波脉冲。DSR脉冲光谱具有陡峭的边沿且光谱中央存在尖峰，脉冲中央部分为较小的线性啁啾，边缘部分为较大的非线性啁啾。随机啁啾脉冲没有明确的啁啾分布，其光谱形状和光谱宽度几乎不随泵浦功率而变化。

• 一种全保偏光纤型高效宽带红外DFG光梳

  马金栋路桥段典姚波毛庆和

  本文报道一种基于锁模掺铒光纤激光器和GaSe晶体的光纤型宽带高效差频产生（DFG）光梳。该DFG光梳采用全保偏光纤设计以获得高线偏振度的基频脉冲，采用非线性脉冲光纤放大技术以获取宽带窄脉宽高峰值功率的双色基频脉冲，从而确保了DFG光梳的宽带和高转换效率特性以及DFG过程的稳定性。该DFG光梳在中心波长8.15 μm处带宽达1.7 μm，仅受GaSe晶体相位匹配接受带宽的限制，对应的DFG转换效率达1%，远高于常规光纤型DFG光梳约0.4%的转换效率。

• 用受激拉曼绝热捷径提高原子干涉仪鲁棒性的实验研究

  鲁思滨1,2,3,陈红辉1,2,3,陆泽茜1,2,3,姚战伟1,2,李润兵1,2,王谨1,2,詹明生1,2

  本文报道了采用受激拉曼绝热捷径(STIRSAP)方案实现原子干涉仪并提高其鲁棒性的实验研究结果。我们对STIRSAP型拉姆齐原子干涉仪的条纹对比度进行了分析，与传统的受激拉曼绝热通道型拉姆齐原子干涉仪相比，STIRSAP加速了布居数绝热转移过程，提高了原子干涉条纹的对比度。通过调制泵浦光和斯托克斯光的强度，研究了交流斯塔克效应对原子干涉条纹的影响，实验结果表明STIRSAP能有效抑制原子干涉过程中的交流斯坦克效应，提高原子干涉仪的鲁棒性。

• 光力系统中的单光子自发辐射

  李罗娜高一波

  我们应用微观主方程和衰减基方法研究了光力系统中的单光子自发辐射。简单的光力系统是通过辐射压力将机械振动模与光学腔模耦合起来。与量子光学中常用的主方程相比，微观主方程能够描述能量本征态的衰减，从而更准确地处理与衰减过程相关的问题。在研究单光子自发辐射过程的时间演化时，应用衰减基方法求解微观主方程。腔模平均光子数的计算结果表明，光力系统的能量激发态的衰减过程按照一定的权重叠加共同影响了单光子的自发辐射过程。另外，微观主方程也适用于超强耦合光力系统中相关问题的讨论。

• 非线性效应对量子模分复用系统误码率的影响分析

  黄超李云霞石磊蒙文杨汝

  在少模光纤中利用模分复用技术可实现经典信号和量子信号的共纤同传。为了分析量子信号在传输过程中因光纤非线性效应而受到经典光信号的影响，本文首先研究了非线性效应引起的串扰功率与光纤长度及经典光信号功率的关系，并构建了在非线性效应影响下的量子误码率模型。然后针对三模模分系统进行仿真分析，探讨了光纤长度和经典光信号功率对量子误码率的影响。仿真结果表明，当选用信号光波长1550nm，经典光信号功率为-10dBm时，量子安全通信距离可达到155.7km。

• 基于量子隐形传态和MDI协议的量子网络

  于浩张影卓文合完颜绍澎刘金锁

  量子密钥分发是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，用于对传输数据进行加解密。测量装置无关量子密钥分发（MDI-QKD）是量子密钥分发的重要组成部分，MDI-QKD协议能够解决量子密钥分发协议中因为测量设备引起的安全漏洞，是保证协议的安全性的同时延长通信距离是MDI-QKD协议的一个新的重要研究方向。本文通过对量子网络中量子隐形传态原理进行深入分析，针对MDI-QKD协议的特殊性，将Alice端制备的量子态在量子网络中通过隐形传态的方式传送给David端，而后David端与通信的另一方用户Bob一起运行MDI-QKD协议，提出将量子隐形传态应用到与测量设备无关的量子密钥分发协议中，阐述了基于量子隐形传态的MDI-QKD协议的实现流程，并对MDI-QKD协议的密钥率进行了分析，分析基础之上增加了量子态的保真度参数，MDI-QKD协议的增益效果十分明显。通过不同的隐形传态节点数的仿真进行实验，仿真实验发现在保证协议安全性的同时可以大幅度延长密钥的安全传输距离，保证了安全协议对测量设备的不依赖性，有效地避免了QKD系统中测量器端的所有攻击。

• 未知六粒子纠缠态的量子隐形传态及原理验证

  陈金莲,李冬芬,周覃,杨燕涵

  近日，Zhao等人（Canadian Journal of Physics, 2018, 96(6): 650）提出利用一个八粒子团簇态作为量子信道实现了一个未知六粒子纠缠态的隐形传态的方案。他们的方案中发送方需要执行一个八粒子冯诺依曼投影测量。这里对他们的方案做出改进，改进方案利用一个四粒子团簇态作为量子信道传送该未知六粒子纠缠态，在方案中发送方只需执行简单的门操作和单粒子测量，然后接收方需要执行适合的幺正操作并引入四个辅助粒子，就能完成隐形传输的任务。并且，该方案的原理验证实验在IBM公司的量子云计算平台上得以实现。与之前的方案相比，改进方案具有低资源消耗、高传送效率和易于实验实现的优点。

• 基于退极化信道的量子密钥分配协议安全性能分析

  张梓平刘国军陆旭黄兴刘云

  量子密钥分配协议的安全性能主要是指在一定信道条件下协议所能支持的最高安全密钥生成率，而退极化信道则是量子信息安全性分析中一种常用的信道模型，该模型可以有效刻画量子态在量子信道传输中的扰动。本文利用量子信息论方法推导并仿真分析了在退极化信道条件下BB84协议与设备无关协议的安全性，对于给定的信道退极化参数、光源光强参数、信道衰减参数，进一步结合弱相干态光源与诱骗态方案给出了两种协议在不同信道传输距离下的安全密钥生成率。该成果可用于理论模拟在长距离量子密钥分配条件下的安全密钥生成率，为后续进一步的安全性分析和实验实现建立了理论基础。

• 任意先验概率下的两态概率量子克隆

  张世军1,张文海2*

  利用基本不等式，给出在任意先验概率下，两个量子态的概率m→n量子克隆的平均失败概率具体表达式。结果表明当拷贝的数目趋近无穷大时，概率量子克隆收敛为最优确定性量子态区分。平均失败概率依赖于先验概率，使得在一定的先验概率下总有一个量子态的拷贝不能获得。通过提高平均失败概率，在任意先验概率下总可以获得两个量子态的拷贝。

• 一种量子线路二维近邻实现方法

  沈鸣燕1,程学云1,2,管致锦1*,陈加庆1,何娴雅1

  为了解决一些量子技术中二维量子线路量子位最近邻约束问题，提出了一种基于优先级的最近邻交互代价度量模型，并基于和谐搜索（HS）算法得到量子位在二维体系结构中的最优布局，然后通过给出的局部排序方法来执行交换门的插入，最终使得量子线路在二维体系结构下实现最近邻交互。通过实验对算法进行了验证，并与最新的相关结果进行比较。实验结果表明，该方法与文献报道的二维网格体系结构中的交换门数相比，平均降低了14.42%。

• 参数未知的多响应混沌系统的同步及参数估计

  李晓霞李艳雨冯志新张启宇

  摘要：本文研究了一种单驱动多响应的不确定异构混沌系统的同步及参数估计问题. 利用Lorenz系统同时驱动Yang系统和Liu系统（三个系统的参数全部未知）, 构成一个单驱动多响应的不确定异构混沌系统. 然后基于Lyapunov稳定性定理和自适应控制方法, 给出自适应控制器和参数自适应率, 同时引入尺度因子, 研究该单驱动多响应混沌系统的两种不同形式的混合同步, 并对未知参数进行估计, 理论证明了该方法的可行性. 仿真结果显示, 单驱动多响应的不确定异构混沌系统可以实现较好的同步, 且能准确地估计出系统中所有未知参数的值.

• 辐射换热角系数理论对红外辐射测温的优化

  刘纯红熊丹枫张乐文吴海滨

  根据比尔定律，物体向周围空间的热辐射量分布与辐射方向成余弦关系，故在红外辐射测温系统中，由于被测目标与探测器的相对位置关系，导致探测器接收到的红外辐射量存在差异，对红外辐射测温带来误差。首先，计算目标空间位置与探测器的角系数之间的定量关系；然后，建立红外辐射量的理论修正模型，通过建立的修正模型对目标辐射到探测器的辐射量进行定量补偿；最后，利用红外像探测器对均匀光源辐射量进行采集实验来验证上述方法。从实验结果得出：随着探测器与均匀光源的相对角度的增加，探测器在不同θ角下对均匀光源进行测量的灰度值明显降低。通过对探测器测量值进行补偿后，相对误差小于4%。此方法提高了红外辐射测温的精度。该项研究对红外辐射测温的误差修正具有一定的指导价值。

• 郑州市PM2.5中无机离子浓度变化特征

  魏秀丽高闽光童晶晶

  大气气溶胶PM2.5是形成大气灰霾的主要因素，在中国大部分城市已成为首要污染物。2014年春节前夕对郑州市进行了为期一周的大气颗粒物PM2.5样品采集，利用偏最小二乘(PLS)多元变量定量分析模型，分析了郑州市SO42-、NO3-和NH4+三种水溶性离子的衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR- FTIR)，并与离子色谱（IC）分析结果进行了对比。分析了郑州市春节前夕SO42-、NO3-和NH4+的污染特征和趋势，初步判定了气溶胶的污染来源。

• 单层黑磷烯中磁极化子的基态性质

  刘佳丽赵翠兰王龙李大伟

  利用Lee-Low-Pines(LLP)幺正变换、线性组合算符和变分方法，推导出均匀磁场中极性基底上单层黑磷烯中极化子的基态能量公式，研究了磁场、基底材料对单层黑磷烯中极化子基态能量的影响。数值计算表明：基底与单层黑磷烯之间的垂直距离和截断波矢保持不变时，极化子基态能量随磁场强度的增大而增大，随基底材料声子频率的增大而减小，不同基底上极化子的基态能量不同，但变化规律一致。当基底与单层黑磷烯之间的垂直距离和磁场强度保持不变时，极化子基态能量随截断波矢的增大而增大。这些结果表明，单层黑磷烯中极化子的基态能量与外磁场和基底材料有关。

• 氮化镓/掺偶氮苯聚合物光栅耦合器特性研究

  班文君朱冰

  提出一种氮化镓与掺偶氮苯聚合物复合材料集成光波导光栅耦合器，并通过仿真计算分析了这种器件的特性。用氮化镓铝衬底上对称的双氮化镓脊形光波导构成集成光波导定向耦合器，涂覆掺偶氮苯聚甲基丙烯酸甲酯聚合物作为包层。利用掺偶氮苯聚合物的光敏特性，在两脊形波导间区域通过周期性光照制作布拉格光栅。利用耦合模理论分析了这种光栅耦合器中各模式间的耦合关系，确定了各模式的耦合模方程，仿真计算了这种光栅耦合器各端口的输出特性，包括各模式的幅度随着传输距离的变化，以及各端口输出的幅度变化关系。在此基础上进一步分析了多周期耦合光栅耦合器的频谱特性，为集成光路中实现复杂频谱信号的操作提供了一种新的实现方案。