量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2021年第3期

• 样本内部缺陷的太赫兹光谱成像与算法优化

  陈儒,杨义勤,秦凡凯,孟昭晖,苗昕扬,赵昆,詹洪磊∗

  利用太赫兹时域光谱成像技术检测了存在内部缺陷的高分子3D 打印样本, 获得了太赫兹时域光谱成像图。初步结果表明, 样本中的缺陷与材料自身对太赫兹波的吸收及反射存在差异, 太赫兹光谱成像可直接表征3D打印材料的外部缺陷, 但对存在于样本内部的缺陷, 太赫兹光谱成像结果尚需进一步优化。进一步研究发现, 利用高斯加噪、叠加融合、最小二乘去噪等算法对内部缺陷的光谱图像进行优化, 能够得到清晰的太赫兹时域光谱图像。因此, 利用太赫兹时域光谱成像技术及优化算法, 能够实现对有机高分子3D 打印材料内部缺陷的表征。

• 基于激光诱导击穿光谱技术的宣纸鉴别方法研究

  方莲,钱晓陆,吴本科,丁志鹏∗,王雅萍

  搭建了用于宣纸成分分析的激光诱导击穿光谱(LIBS) 实验装置, 获得了宣纸及普通书画纸的LIBS 谱线。 结合NIST 数据库分析了样品中的金属元素成分, 并完成光谱标定。光谱特征分析表明: 所有样品都含有Ca 元素, 但普通书画纸Ca 元素特征峰数量偏少且强度偏低, 极易区别; 其他宣纸样品, Ca 元素在不同波段的光谱强度存在 显著差异。根据5 种样品纸Ca 元素的光谱强度分布规律将光谱分成3 个区段进行分析, 提出了依据Ca 元素的3 个波段相对强度的三维区分图法, 通过测试品元素光谱强度的实际落点与三维图中实验落点的比照, 可快速、准 确地实现宣纸的鉴别和分类。

• 基于变量选择技术的FTIR光谱识别算法研究

  沈先春,徐亮,∗,孙永丰,胡运优,金岭,杨伟锋,,徐寒扬,,刘建国,,刘文清,

  将变量选择方法中SFS、LASSO 和Elastic Net 三种不同方法与广义交互验证准则相结合, 实现对FTIR光谱气体成分变量的初步筛选, 再采用循环迭代CLS 方法对初步筛选的变量中浓度小于0 的成分进行循环剔除, 然后根据变量在测量向量中的方向占比对选择的变量进行精选, 最终得到目标气体成分。为了验证各识别算法的识别性能, 分别进行了CH4 和SF6 外场排放实验, 两组实验结果表明建立的识别算法应用于气体目标识别的效率高、识别准确率高, 且能够识别出干扰成分H2O。此算法为被动FTIR 技术在危险气体泄露预警监测中的应用提供了方法基础。

• 太阳光谱地基跟踪遥感系统光学设计

  胡凯,徐亮∗,杨伟锋,曲立国,金岭,成潇潇,沈先春,王钰豪,刘建国,刘文清,

  开发了一种基于太阳跟踪方法用于测量大气污染气体成分的傅里叶变换红外(FTIR) 光谱系统, 该系统由太阳跟踪器、光路传输部分、光谱仪组成。设计了一种正交反射镜系统用于收集太阳光, 利用小孔成像原理实现太阳跟踪, 保证跟踪光路与测量光路同轴。推导了跟踪旋转时位置探测器(PSD) 上光斑轨迹的理论计算公式, 用于指导PSD 算法。该系统的工作波段为600 ∼ 5000 cm−1, 分辨率为0.5 cm−1。利用光学软件Zemax 分析了用于汇聚干涉光束的抛物镜焦距对干涉条纹的影响, 确定抛物镜焦距值为52.5 mm, 满足系统指标的入射光的最大倾斜角为0.118◦, 给出了PSD 的测量精度和系统跟踪精度的技术指标。并利用搭建的实验平台进行了初步户外实验, 验证了系统的合理性。

• 一种高光谱分辨率太阳光栅光谱仪的优化设计方法

  郑联慧∗,刘秉扬,颜慧贤

  高光谱分辨率光栅光谱仪是探测太阳大气活动的重要仪器。由于光栅衍射效率受光栅入射角的影响, 从而直接影响光栅光谱仪的能量利用率, 因此如何准确确定光栅入射角是光栅光谱仪光学设计面临的重要问题之一,现有方法多依靠工程实践积累的经验。为此, 以多个特征谱线均能获得更高光栅衍射效率为优化指标, 以光栅入射角为研究对象, 提出了一种高光谱分辨率光栅光谱仪的优化设计方法, 并给出了针对云南天文台1 m 新真空太阳望远镜(NVST) 的多波段光栅光谱仪设计方案。

• 一种基于机器视觉的无人机同心圆靶精准降落方法

  洪富祥,陈冲,丘仲锋∗

  随着图像处理技术的发展、嵌入式硬件的进步, 无人机(UAV) 的机器视觉成为一个十分热门的研究领域。UAV 自动降落控制是UAV 飞行控制系统的关键技术之一, 对UAV 降落的稳定性、精确性、可靠性、实时性具有重要的作用。针对车载UAV 自动返航降落误差大的缺点, 通过机载视觉处理单元对UAV 降落的平台进行图像处理后, 将获取的UAV 和降落平台的位置信息通过坐标转换算法转换为真实坐标信息, 然后通过模拟遥控器杆量的方式来控制UAV 实现精准降落。实验表明, 利用所提出方法能够精准识别UAV 降落平台, 与只有GPS 定位的实验结果相比, 该方法能够有效地增加UAV 降落的精度, 具有一定的实际应用价值。

• 多势阱中电子的束缚态与能带形成研究

  江俊勤∗,涂菁

  用经典解法研究了处于N 个量子阱中电子的能级和量子态。从定态薛定谔方程出发, 由波函数标准条件导出波函数中待定系数满足的(4N − 2) 元线性方程组。由线性方程组系数行列式等于0 的超越方程计算出电子的能级, 通过计算线性方程组的基础解系求得束缚定态波函数。在N = 2 ∼ 5、势阱宽度为1 nm、势阱间距为0.5nm 的情况下，利用Mathematica 软件求得电子能级和波函数的高精度数值解, 并直观地展示了电子能级分裂成能带的机理。所提出方法物理概念清晰、过程简明易懂、不存在人为调节的参数, 而且计算精度高、速度快。

• 系统动力学演化中量子加速的研究

  闫丽

  在一个二能级原子与单模腔场相互作用的系统中, 基于归一化条件获得原子的密度矩阵及原子处于激发态的布居数, 给出了系统演化的量子加速公式。采用纵向加速和横向加速来描述系统动力学演化的过程, 利用数值计算的方法讨论了原子与腔场的耦合强度和演化时间对系统演化加速的影响。研究结果表明腔与原子的耦合能够加速量子态的纵向演化; 随着演化时间的增加, 量子态的横向加速增强, 并伴随着周期性振荡。

• 基于汉明距离的量子推荐算法

  陈梦涵,郭躬德,林崧∗

  利用量子汉明距离提出一个基于内容的量子推荐算法。该算法利用量子力学特性对用户观看的历史电影属性并行求和, 从而有效计算出用户的偏好属性, 然后基于汉明距离得到新电影属性与其偏好属性的相似度, 并快速查找到相似度高的新电影, 完成推荐任务。分析表明所提出算法与经典算法相比在运行时间上有指数级加速。

• 非马尔科夫环境中海森堡XXZ自旋链的量子相干演化特性

  阿拉帕提·阿不力米提,杨帆,迪丽达尔·海依提江,阿依尼沙·牙生,白慧婷,艾则孜姑丽·阿不都克热木,艾合买提·阿不力孜∗

  运用非微扰形式的非马尔科夫量子态扩散方法, 得到了强耦合到非马尔科夫费米库的海森堡XXZ 自旋链的精确主方程, 并利用该主方程研究了环境非马尔科夫性、不同方向的耦合强度对海森堡自旋链量子相干的影响。研究结果表明: 环境非马尔科夫性会改变量子相干的恢复度以及弛豫时间, 不同方向自旋链的耦合强度也会影响量子相干强度。

• 基于波分复用技术的参考系无关量子密钥分发

  冯宝,∗,赵子岩,贾玮,窦天琦,周芬,孙钟齐,马海强

  因参考系无关的量子密钥分发(RFI-QKD) 协议可以使量子密钥分发(QKD) 系统在没有参考系校准的情况下获得理想的密钥率和传输距离, 所以引起了广泛的关注。提出了一种基于波分复用(WDM) 技术的RFI-QKD 协议。在该协议中, 发送方Alice 制备多路不同波长的信号, 利用WDM 技术传递给接收方Bob。Bob在接收到光脉冲后, 利用波分解复用器将不同波长的信号分开后测量, 并结合诱骗态计算最终的安全密钥率。仿真结果表明: 基于WDM RFI-QKD 的密钥生成率受到复用路数与传输距离的影响, 随着复用路数的增加而增加, 因此运用WDM 技术是提高密钥率的一个有效方法。

• 基于量子求和的安全多方量子排序协议

  王蕊聪,∗,冯雁,

  安全多方排序问题是保护用户隐私的安全多方计算中最为重要的核心问题之一。针对传统多方排序安全性低、易被窃取的问题, 提出了一种在半诚实模型下的安全多方量子排序协议, 该协议中各方基于量子傅立叶变换求和的方式参与计算, 在保密数值不被泄露的基础上获取排名。通过IBM 提供的量子计算模拟器, 对协议的正确性进行了实验验证, 并对协议的安全性进行了理论分析。协议不仅为现有的量子排序提供了新思路, 而且很好地兼顾了公平性、有效性以及安全性。

• 经典-量子信号共信道传输实验噪声分析及性能优化

  李佳豪,石磊∗,张启发,薛阳,李天秀

  随着点对点光纤量子密钥分发技术的成熟及其迅猛发展的商业化应用趋势, 将量子信号与经典数据复用在同一根光纤中以提高系统效率和节约光纤资源成为近几年的研究热点之一。通过实验验证了两种共信道传输方案的噪声成分, 仿真分析了噪声对量子密钥分发系统性能的影响, 并针对实验中存在的问题对噪声抑制方案进行评估分析, 为经典―量子信号共信道传输商业化发展提供了实验支撑。实验结果表明: 0 dBm发射功率下, 未进行噪声抑制的较远波段共信道传输系统密钥正向传输距离最远为75 km，采用窄带滤波技术的同波段共信道传输系统密钥正向传输距离最远达到164 km。该实验结果为未来在经典光网络中承载量子密钥分发系统提供了可行的共信道传输噪声抑制参考方案。

• 任意熵纠缠平方的单配性关系

  苑光明∗,董明慧,王学文,唐顺磊,白志明

  纠缠单配性是量子纠缠中一类重要的物理性质, 意味着量子纠缠不能自由分布, 即一个量子系统与另一个量子系统的纠缠大小会限制此系统与其他量子系统的纠缠大小。采用数值分析方法研究了基于任意熵纠缠平方的单配性关系, 利用任意熵纠缠平方与并发度平方之间的函数关系式性质和并发度平方的单配性, 论证了任意熵纠缠平方的新型单配性关系。结果表明, 所提出基于任意熵纠缠平方的单配性关系比文献[4] 提出的基于任意熵纠缠的单配性关系适用范围更广, 且比文献[10] 提出的任意熵纠缠平方的单配性关系更加严格。

• 非线性原子-腔-光纤系统中的量子关联转移和量子态传输

  贺启亮∗,丁敏,宋晓书,肖勇军,吕兵

  在光腔被非线性克尔介质充满的原子-腔-光纤系统中, 研究了非线性克尔介质对于不同原子系综之间量子态传输和非经典关联(量子纠缠, 量子失谐) 转移的影响。结果表明非线性克尔介质能够增加目标原子系综间量子态的保真度和非经典关联的数值, 减缓保真度和量子关联衰减的速率, 从而延长量子态传输和非经典关联转移存在的时间。此外, 利用迹距离的度量方法研究了非线性克尔介质对于系统中量子信息流动的影响, 发现非线性克尔介质能够减小迹距离衰减的速率, 减缓目标原子系综中量子信息的流出, 并增加其量子信息存储的时间。

• 基于忆阻器的Sprott-B超混沌系统的动力学分析与电路实现

  李晓霞,∗,王雪,冯志新,张启宇,

  将二次型磁控忆阻器引入混沌系统, 构建了一个新的四阶超混沌忆阻系统。首先探讨了忆阻系统的特性,采用包括Lyapunov 指数和维数、耗散性、无限多平衡点集与稳定性等的分析方法, 确定了新忆阻系统的超混沌特性, 得到了无尽的平衡点集, 与原系统对比发现新系统更复杂, 混沌程度更高。进而研究了新系统的动力学行为,观察到随系统参数不同引起的瞬态混沌现象和随初始值不同引起的吸引子共存等现象, 这是首次对包含常数项的混沌系统做出的动力学分析。最后设计并搭建了该系统的模拟电子电路, 实验表明示波器结果与数值仿真结果具有良好的一致性, 为忆阻超混沌系统的实际应用奠定了基础。