量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2020年第2期

• 相干激光测风技术研究进展

  罗杰,侯再红,靖旭,王振东,安晏阳,秦来安,吴毅,仇陈祥,

  相干激光雷达探测精度高，响应时间快，系统结构紧凑，近年来在测风领域已有长足的发展，成为最先进的测风工具之一，具有良好的研究意义和应用前景。简要介绍了相干激光测风雷达的技术优势，从工作原理和具体应用的区别上详细描述了分别以连续激光和脉冲激光作为光源的两类相干测风雷达，重点介绍了这两类技术的国内外发展历史及其最新进展，并分别从光源波长的选用、激光工作的方式和应用平台的多样化等多方面简要总结了相干激光测风雷达的发展趋势。

• 利用介电环境调控石墨烯等离激元和基底声子的耦合(封面文章)

  曾凯,范晓东,王冬利,李晓光,曾长淦

  石墨烯等离激元在中红外到太赫兹波段有广阔应用前景。以往研究关注于 变石墨烯条带周围的介电环境。数值模拟表明，与放置在平整二氧化硅基底上的石墨烯条带相比，放置在凹槽中的石墨烯条带的等离激元和声子耦合增强。此外，在远离声子频率处色散曲线明显下移，低频段两个色散分支的最大光吸收率也有显著提高。而将石墨烯条带放置在凸台上则结果相反。 激元和基底声子的耦 合可以通过改变石墨烯条带边缘介电环境这种简单方式得到有效调控。

• 氮气与甲烷混合气生成CN自由基研究

  管忠银,李宝,钱佳丽,邓伦华,徐淮良,

  CN自由基在生命形成过程中起着重要作用。在早期行星大气中，CN的生成与氮气(N2)和甲烷(CH4)有密切关系。以土卫六大气成分为参考，利用CH4和N2的混合气体模拟早期大气环境，并对模拟大气进行辉光放电产生CN自由基,通过测量CN自由基的吸收光谱研究了CH4、N2比例和土卫六大气中的痕量气体对CN生成的影响。在N2和CH4混合气体的低压辉光放电中，当CH4气压占总气压的20%左右时，CN自由基的生成浓度最大。保持N2和CH4气压配比不变而改变总气压时，起初CN自由基浓度随总气压增加而增加；当总气压超过60 Pa时，CN自由基浓度随着总气压的增加趋缓；而当总气压大于90 Pa时，CN浓度随着总气压的增加缓慢减少。在给定气压和CH4- N2浓度配比条件下，CN自由基的浓度都随放电电流增加而增大。土卫六大气中存在痕量水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)，在N2和CH4混合气体放电过程中加入少量这些气体都会抑制CN自由基的生成。

• 啁啾波形调控产生水窗区间光谱连续区和阿秒脉冲

  刘航,冯立强

  为了获得能量范围在水窗区间的高强度光谱连续区，提出了一种利用啁啾调频场调控激光波形，进而实现高强度水窗区间光谱连续区的方法。研究发现：在单色多周期负向啁啾调频场驱动下，谐波截止能量可以得到延伸。当引入第二束负向啁啾激光场时，不仅谐波截止能量延伸到水窗区间，而且谐波辐射强度有近3个数量级的提高。当引入第三束123 nm紫外激光场时，在紫外共振电离的影响下，谐波辐射强度进一步增强。谐波强度增强与第三束激光场啁啾参数和激光相位几乎无关。最后，通过叠加水窗区间光谱的谐波可获得脉宽为38 as的单个阿秒脉冲。

• 用于选通成像的半导体激光器列阵 光束整形技术研究

  张百顺,范一松,奚居仁,吴碧,郭欢,陈春城,郭强

  介绍了基于半导体激光器列阵的距离选通成像系统的总体组成，并针对系统的要求提出三种半导体激光器光束整形设计方案，利用Zemax软件对三种不同结构的整形方案进行了仿真及实验对比分析。结果表明叠层阵列宏透镜准直方案结构简单，对整形透镜的装配精度要求不高，成本低廉，但其对Bar条之间平行性和共面性要求较高; 光纤耦合阵列准直方案的光束发散角最小，但耦合损耗较大; 而基于柱状微透镜准直的叠层阵列光束整形方案具有较高的光收集效率、较小的发散角、工艺复杂性适中，适于远距离激光主动照明成像的工程应用。

• 腔光力系统中的光学传输特性研究

  严薛强,陈华俊

  研究了含有两条特殊路径的环形光力系统的光学传输特性,这两条路径结构相互独立但彼此间存在声子、光子耦合。通过调节两条独立耦合路径间的耦合强度以及有效光机械耦合率等参数，系统展现出了诱导透明现象的可调谐性。在耦合强度较大时会产生对称失谐点透明峰，距离和强度均可由路径耦合强度调控，从而使基于该系统的全光子开关在理论上成为可能。此外，通过对相关参数的调节，能够轻易地改变透射光的群延迟大小，通过多种途径实现快、慢光的可调谐性。在部分条件下，系统展现出对快慢光调制的优良特性，为相关光子器件的制作与量子现象的研究提供了一个好的平台。

• 不含三光子脉冲的环回差分相位量子密钥分发

  姜红红,冯宝,陆忞,卞宇翔,高莉莎

  提出一种不含有三光子脉冲的环回差分相位量子密钥分发（QKD）协议。该协议可以在不需要监控信号干扰的情况下产生安全密钥，从而有效地降低实现的复杂度。此外，还提出了仅使用两种强度的诱骗态去估计安全密钥生成率。实验结果表明该协议可以极大地提高安全密钥率，并增大传输距离。而且，仅使用两种强度的诱骗态就可以获得接近使用无穷个诱骗态的性能，有效地减少了诱骗态资源的消耗。

• 基于团簇态和贝尔态的不对称双向远程制备

  廖延娜,冯宇森,彭鑫春

  提出了一种利用1个团簇态和3个贝尔态纠缠在一起的特殊量子信道来进行不对称双向远程制备的理论方案。Alice和Bob既是远程量子信息的发送者，也是接收者。Alice帮助Bob远程制备任意一个三粒子的纠缠态，同时Bob也帮助Alice远程制备一个四粒子的团簇态。Alice和Bob分别利用与量子信道相匹配的正交测量基对量子位（1,3,5）位和（8,b）位投影测量；接收方收到对方的测量结果后，对每一种测量结果进行与测量基相对应的幺正变换操作，直接成功制备的概率为1/8。随后给出了提高成功制备概率的方法：选取特定的系数取值，之后重复上述操作，完成任意三粒子纠缠态和四粒子团簇态的不对称双向远程制备。经过计算和验证,对方案进行概率提升后,成功制备的概率可达100%，系统的信息传送效率为36.84%。

• 基于Bell态信道直接远程制备任意二量子比特态

  陈遵一侯奎

  提出了两种基于Bell态量子信道的直接远程制备任意复系数二量子比特态的方案。第一个为控制远程制备方案，发送方可以以一定的概率使两个接收方中的任意一位获得初始态，此过程发送方需执行三粒子投影测量和控制方Hadamard门操作。在第二个方案中，初始态的信息由两个独立的发送方共享，当且仅当两个发送方合作，接收方才可在其粒子上重建初始态，此方案需要执行四粒子投影测量。结果表明，两种方案的总成功概率均可达1，方案中的量子资源仅是最简单的Bell纠缠态，且整个操作过程简化灵活。

• 量子噪声随机流密码中密钥扩展模块的研究

  史海勤蒲涛郑吉林谭业腾陈毓锴

  密钥扩展是量子噪声随机流密码（QNRC）高效利用量子密钥分发（QKD）密钥的手段，通常使用经典加密方法来进行密钥扩展。高级加密标准（AES）和Hash算法因其破译难度大，在QNRC实验中常用作密钥扩展。根据分组加密的工作模式，合理设计了计数器（CTR）和密码分组链接（CBC）模式下的Hash扩展方案。并且对不同扩展方案下产生的运行密钥流进行了NIST随机性检测，测试结果表明CTR和CBC模式下的AES和Hash扩展都能通过随机性检测。尤其是CTR模式下的Hash扩展，输入长度可以灵活控制，能较好地适应现代高速光网络的不同需求。

• 基于IBM Q的Deutsch-Jozsa算法实现

  戴娟,李志强,潘苏含,张威,胡佳佳

  Deutsch-Jozsa算法首次实现了对经典算法的指数级加速，解决了n个量子比特的Deutsch问题，奠定了量子算法的基本思想，体现了量子叠加性和并行性的特征。首次提出了一种综合算法，可自动生成2比特Deutsch-Jozsa算法的全部8个真值表与量子电路。并给出了一种综合方法，可在f(x)对应电路未知的情况下构建量子电路。通常用经典算法解决该问题最多执行2n-1+1次判断，而Deutsch-Jozsa算法只需要一步就可以完成，虽然新提出的方法需要两步，但为实际应用中不同问题的解决提供了另一种可能的途径。进一步通过IBM Q Experience平台运行生成的量子电路，验证了量子电路和Deutsch-Jozsa算法的正确性。

• 非广延熵纠缠的严格单配性不等式

  苑光明,唐顺磊,董明慧,陈力

  纠缠单配性是量子纠缠中一类重要的物理性质，利用这一性质可以描述多体量子比特系统中的纠缠结构。非广延熵纠缠是一种很好的纠缠度量方式，当参数在（5-131/2）/2≦q≦（5+131/2）/2内，其平方满足单配性关系。基于前人的研究，提出了单参数 （5-131/2）/2≦q≦（5+131/2）/2范围下基于非广延熵纠缠服从阶数μ≧2的新型单配性关系。该关系相比宋伟等提出的基于非广延熵纠缠平方的单配性关系更加严格。

• 场-原子耦合系统强度与时间依赖的场熵演化

  刘王云,潘聪逸,杨志勇,段存丽

  利用Von Neumann量子约化熵理论，研究了共振情况下场与原子之间耦合随时间和强度变化时，L型三能级原子与单模场相互作用系统中量子场熵的演化特性，通过数值计算详细讨论了不同初始光场和耦合系数变化的快慢对量子场熵的影响。结果表明：初始光场统计性质的不同将使系统的量子场熵演化发生较大变化，耦合强度调制函数的变化将改变量子场熵演化曲线的振荡频率，场与原子相互作用的初始阶段是一个逐渐耦合的过程，原子叠加态概率使量子场熵周期性地发生改变。

• 求解量子逻辑电路酉矩阵的快速方法

  李志强胡佳佳张威潘苏含戴娟杨冬晗吴希

  提出了一种生成量子逻辑电路酉矩阵的高效方法。首先利用量子电路的量子门运算规则生成真值表，再根据真值表与酉矩阵的映射关系构造量子电路的酉矩阵。而传统方法是利用量子门的拓扑变换规则生成其酉矩阵，再用量子电路中级联量子门的酉矩阵相乘构建量子电路酉矩阵，当量子电路规模较大时，传统方法涉及大量的大矩阵的生成与乘积，产生巨大的时间开销。提出的新方法巧妙实现降维，从而大幅度提高算法效率。以GT电路和NCV电路为例，当量子线数高达8，门数为643时，较之前提出的方法速度提高数十万倍。

• 基于ISSTES算法的敦煌场地红外特性研究

  周艳,张运杰,张允祥,李新,郑小兵

  敦煌场地光谱发射率和温度是基于敦煌辐射定标场开展卫星遥感器热红外波段在轨辐射定标的重要参数。利用便携式傅里叶变换红外光谱仪（D&P 102F）和红外标准板在2018年8月对敦煌辐射校正场地表发射率光谱进行了不同时间和观测条件下的多次测量。基于光谱多次迭代平滑温度与发射率分离算法（ISSTES），通过设置不同精度的温差间隔，对测得的野外光谱数据进行多次迭代平滑分析处理，实现了敦煌场地光谱发射率与温度的分离。与采用多通道法温度与发射率分离算法获得的CE312通道发射率进行比较，结果表明各个通道发射率的误差均在0.011以内，验证了试验获得的敦煌场地光谱发射率和温度具有较好的精度。本试验为基于敦煌定标场开展卫星遥感器热红外通道在轨辐射定标提供参考。

• 星载激光雷达中固态标准具的结构设计及检测

  邵甲第,,谢晨波,李路,庄鹏,方志远,付松琳,曹也,杨婧

  星载云-气溶胶激光雷达可精确获得全球云-气溶胶探测数据，利用干涉仪窄带滤波器来探测大气中的云和气溶胶可以提高回波信号的信噪比，并可进行全天探测。根据星载激光雷达对使用环境以及温度调谐的要求，选择固态标准具来实现所要求的干涉仪滤波器，对其材料的选择和结构的设计进行了分析，在封装设计时增加了温控结构，并对固态标准具进行了热应力耦合分析。综合考虑工作温度和入射角度的影响，给出最优的性能测试方案，根据方案测得固态标准具的温度调谐满足中心波长调谐范围。

• RS码在25G-EPON系统中的性能研究

  张新,车昱昕,刘毓,王素椅,董昊宸

  前向纠错技术是保证25G-EPON系统数据传输可靠性的关键技术。针对25G-EPON系统由于高传输速率导致数据在传送过程中出现更多随机错误和长连续突发错误的问题，通过分析RS编译码算法，选择合适的RS码特征参数，仿真分析了这些参数对25 G-EPON系统传输性能的影响，确定适用于25G-EPON通信系统的RS码方案。实验结果表明，在满足25G-EPON系统可靠性的前提下，应尽可能降低编码效率、提高编码的冗余度、采用码长较短的编码方案，以提高RS码的编码增益、降低信息传输的误码率。RS(1023,847)码能纠正最多连续880比特错误，在误码率达到10-12时的编码增益可以达到8.834 dB，可以满足25G-EPON系统传输需求，因此选用RS(1023,847)码作为25G-EPON系统的前向纠错码。

• 基于石墨烯硅波导的分光比可控分束器

  陈召远徐军高旸杨成俊祎

  为了实现集成光电子器件的一器多用，利用石墨烯波导的调制作用设计了一种分光比可控的分束器。在马赫曾德尔结构的一个干涉臂波导中嵌入石墨烯层，并通过施加偏置电压引入额外的相位差从而实现输出强度的调制。利用有限差分时域(FDTD)方法计算了石墨烯波导的特性，并仿真了分束器的传输特性。理论和仿真结果表明所设计的分束器具有良好的光学性能，并且其分光比可由调制电压在一定范围内调控。