量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2021年第4期

• 用于激光吸收光谱技术的新型平面镜光学多通池的设计与分析

  许棕,曹亚南,∗,张荣荣,刘成静

  提出一种新型平面镜光学多通池设计方案。该方案中光学多通池由价格低廉的平面镜和透镜构成, 相对于传统的昂贵的凹面镜多通池与柱面镜多通池, 此款新型光学多通池更经济适用。新型光学多通池在平面镜外侧镀有高反射率膜层, 这种镀膜方法隔绝了待测腐蚀性目标气体与高反射率镀膜层的接触, 减小腐蚀性气体对高反射率镀膜层的污染, 从而提高仪器的使用寿命和检测精度。为了验证了新型平面光学多通池是否具有提供有效长光程的能力, 利用光学软件对三种不同设计参数的新型光学多通池进行光学仿真。相比于传统的White 池与 Herriot 池 (体积约为 700 cm3, 约经过 80 次光反射), 仿真结果显示新型平面镜光学多通池可以在较小的体积 (约 236、393、422 cm3) 分别实现 62、100、99 次光反射, 并提供 14.64、40、42.57 m 的有效光程。新型光学多通池有效光程数与多通池体积比值很大, 其比值分别为 100、62、101 mm−2, 表明该新型光学多通池空间利用率很高。初步研究表明该新型光学多通池具有小体积、长光程、低成本、探测灵敏度高等优点。

• 基于改进 Mertz 法的相位校正技术研究

  邓竞蓝,童晶晶∗,高闽光,李相贤,李胜,李妍,韩昕

  相位误差校正是恢复高质量光谱图的关键环节之一。常用的 Mertz 法利用过零采样的单边干涉图数据,可以快速进行相位校正。针对该方法中对非对称干涉图利用不均匀导致的光谱图高频分量恢复不准确的问题,提出基于改进 Mertz 法的相位校正方法。利用奇次多项式对非对称干涉图加权, 使得改进的 Mertz 法均衡利用“小双边” 干涉图的光谱信息。实验结果表明: 采用所提出的改进 Mertz 法能有效恢复光谱的细节信息, 提升仪器的信噪比。相比于线性函数加权法, 所提出的奇次多项式加权在 900 ∼ 1100 cm−1 波段和 2500 ∼ 2600 cm−1 波段, 平均峰- 峰值信噪比分别提升了 1.2%、2.3%, 均方根值信噪比分别提升了 3.6% 、1.1%。

• 光强可调的变温荧光测试系统在准二维钙钛矿中的应用

  张博,郭秀文,崔明焕,孙铭泽,李高强,周静,秦朝朝∗

  激子性质对准二维钙钛矿材料的发光机理具有决定性影响。测量激子-声子耦合强度和激子结合能是研究准二维钙钛矿材料激子特性的有力手段, 可以为揭示其内部光发射机制和进一步提高荧光量子产率提供关键的科学依据。将变光强荧光测试系统和液氮恒温装置相结合, 利用 LABVIEW 程序进行系统控制, 搭建了一套光强可调的变温荧光测试系统, 并以准二维钙钛矿薄膜样品为研究对象, 开展了对准二维钙钛矿的激子及其发光性质的研究。研究结果表明: 随着准二维钙钛矿材料 ⟨n⟩ 值的增加, 激子-纵向光学声子耦合强度和激子结合能均逐渐降低。此外, 利用该测试系统进行了室温下变光强荧光测量, 探究了准二维钙钛矿薄膜的光学增益,得到其放大的自发辐射阈值为 3.2 µJ/cm2。

• 基于超导铝的低损耗共面波导谐振器

  郑煜臻,朱博杰,武彪,黄永丹,陈建,黄荣,孙骏逸,贾浩林,顾俊,熊康林,∗,冯加贵,∗,杨辉,

  研制具有实用价值的超导量子系统需要进一步提高量子比特的质量, 目前材料及核心表界面缺陷是限制量子比特相干时间的重要因素。微波谐振器作为超导量子芯片的重要组成部分, 可用于表征材料质量及相关器件制备工艺优劣。利用分子束外延 (MBE) 技术在本征硅 (111) 衬底上生长铝膜, 制备 λ/4 共面波导谐振器。通过硅衬底的处理和高质量铝薄膜的制备, 在 20 mK 的温度和近单光子探测功率下将谐振器本征品质因子提升到 106。

• 随机势场对氢原子能量本征问题的影响

  刘星灿哈斯花

  基于 B 样条函数, 通过数值计算方法求解随机势场干扰下氢原子中电子的能量本征问题, 计算了不同幅值范围的随机势情形下氢原子中电子的本征能量及其本征波函数。结果表明: 氢原子系统受到的随机势强度范围愈大, 电子分布几率变化越频繁; 量子数越多, 体系越不稳定, 中心力场的作用更容易被外加随机势场破坏。

• 两体系统量子相干性的动力学和守恒

  高德营∗,李宁

  针对两个初始处于类 Werner 态的原子分别与两个独立零温真空库相互耦合的复合系统, 研究了子系统的量子纠缠和量子相干性动力学演化特性。研究表明两原子的量子纠缠和量子相干性受初始态和纯度的影响,且各子系统的量子纠缠和量子相干性分别相互转移, 并满足相应的守恒式。表现为初始的类 Bell 态和纯度决定各子系统的量子纠缠和量子相干性满足的守恒式; 而对于同一类 Bell 态, 子系统的量子纠缠和量子相干性的守恒式不受马尔科夫或者非马尔科夫环境的影响。

• 两模机械系统中振动模式参量耦合强度调控的实验研究

  袁泉,龚志成,毛添华,谌成渝,付号,∗

  在基于两根耦合悬臂梁的机械系统中开展了振动模式参量耦合实验, 研究了模式频率差对模式耦合强度的影响。实验中利用激光囚禁其中一根悬臂梁, 构造了一个可调谐两模机械系统, 并通过对囚禁光功率的周期性调制施加参量驱动, 实现了振动模式间的参量耦合; 进一步研究了不同模式频率差下的模式参量耦合, 在实验上得到了模式间频率差与模式耦合强度之间的关系。该研究将有助于实现机械系统中不同模式频率差下模式耦合强度的精确调控。

• 基于极化码的连续变量量子密钥分发多维逆向协商协议

  周文婷,王鑫,卞宇翔,∗,乔涵,冯宝,

  连续变量量子密钥分发 (CV-QKD) 协议的一个重要组成部分是数据协商。在连续变量量子密钥分发的多维协商协议中引入了极化码, 提出了两种不同的基于极化码的多维协商协议。该协议包含多维协商和极化码纠错两个组成模块。利用多维协商模块可将原始长密钥分为多个 d 维向量组, 每组向量经过归一化、球面化和旋转处理变为二进制密钥串。而利用极化码纠错模块, 通信双方可共同分享冻结位置信息和冻结比特值, 实现基于极化码的逆向数据协商。该协议的可行性通过数值仿真得到了证明, 与现有的极化码逆向协商协议相比, 该协议可以在纠错成功率保持不变的条件下获得更高的协商效率。

• 量子密钥分发产品随机数芯片阵列方案研究

  唐世彪∗,程节,栗帅

  针对量子密钥分发 (QKD) 技术的市场化需求, 提出一种应用于 QKD 产品的随机数源实现方案及高速自检算法。采用商用的 WNG-8 噪声源搭建芯片阵列作为随机数源, 并通过异或的方式提升随机数可靠性。根据国家相关标准要求, 基于现场可编程门阵列 (FPGA) 设计了一种高速扑克自检算法方案, 通过优化判断策略,并对检测数据流实行乒乓切换控制和并行统计, 实现了 3.8 Gbps 的处理带宽, 并预留进一步提升至 10 Gbps 处理带宽的能力, 以满足未来高速 QKD 产品随机数源实时检测需求。

• 四元域上多项式乘法 Toom-3 算法及其在量子密钥分发中的应用

  黄观金,周华旭,陈创波,高鹏,凌杰∗

  快速高效的安全增强方法在高速量子密钥分发 (QKD) 系统中有着相当重要的作用。实现安全增强一般需要进行大数乘法、矩阵乘法或有限域乘法。其中基于有限域乘法的安全增强方法具有对随机数的数量需求最低的优势, 但是其具体算法的复杂度相对偏高。提出了一种在四元域上实现多项式乘法的 Toom-3 算法, 并推导了详细计算公式, 进而给出了一种新的基于四元域上多项式乘法的安全增强方法。该方法的时间复杂度为O(n1.465), 表明其具有较好的复杂度并适合并行计算与硬件实现。

• 基于线性光学元件的被动式诱骗态量子数字签名方案

  范宇腾,索磊,张春辉,陈家明,王琴,∗

  针对当前主动式诱骗态量子数字签名方案中光脉冲强度调制可能引起的脉冲宽度、频率信息泄漏等问题, 提出了基于线性光学元件的被动式诱骗态量子数字签名方案。该方案通过使两束弱相干光源经过一个分束器并触发本地探测器, 被动地构造出诱骗态来估计信道参数, 进而开展量子数字签名的研究。该被动式诱骗态方案不仅能够避免多强度主动调制引起的这部分侧信道漏洞, 提高系统的安全性, 还能减弱在主动式诱骗态方案制备过程中产生的调制误差、强度起伏等效应的影响。

• 光子纠缠态在 non-Kolmogorov 大气湍流中纠缠退化的研究

  张钦伟,曹连振∗,刘霞,杨阳,赵加强,李英德

  基于 non-Kolmogorov 大气湍流谱理论, 建立了双量子比特路径纠缠态在大气湍流中传输的数学模型,获得其纠缠退化的解析表达式, 并进行了数值仿真。研究结果表明: 当空间距离分布较小的双量子比特路径纠缠态在大气湍流中传输时, 其纠缠度的保真度较高; 同时, 较长波长的纠缠光在折射率功率谱指数 α 较大、广义湍流折射率结构起伏结构函数 ˜C2n 较大的 non-Kolmogorov 大气湍流中传输保真度较高。所建立的远距离纠缠态传输模型可定量分析纠缠退化问题, 为自适应低误码率的远距离大气量子通信提供了可靠的理论参考。

• 两量子比特在两个热库中的稳态纠缠和热流

  王美姣,夏云杰,李英德,曹连振,杨阳,赵加强∗

  非平衡环境是量子系统应用中最常见的耗散因素之一。系统研究了两耦合量子比特在平衡和非平衡环境下的动力学演化和稳态解。结果表明: 在平衡热库中, 增强耦合强度、增大能量失谐以及适当提高热库温度都有利于纠缠的增强; 而在非平衡热库中, 平均温度低 (高) 时温度梯度会增强 (抑制) 纠缠。另外, 还研究了热流与能量失谐、耦合强度以及热库温度的关系, 发现对于分别处于两个独立热库和两个共同热库中的两量子比特, 相关参数对其演化和热流的影响是不同的。选择适当的耦合强度、能量失谐和温度梯度, 可以使两热库之间存在稳定热流, 从而获得系统的稳态纠缠。

• 一种简单并联记忆元件混沌系统的研究

  李晓霞,∗,王雪,冯志新,张启宇,徐桂芝,

  分别设计了忆阻器、忆感器、忆容器的通用数学模型, 并以此为基础构造了简单的并联混沌系统, 分析了包括相图、时域图、Lyapunov 指数、功率谱、庞加莱截面在内的动力学特性, 证明了其超混沌特性。进一步研究了平衡点稳定性、系统参数及初始值对系统的影响, 研究结果表明: 参数的对称性变化会引起系统状态相应的对称性变化; 而在系统能混沌振荡的情况下, 初始值不影响系统的状态。最后利用 Multisim 进行了电路仿真, 数值仿真与实验结果呈现出较好的一致性, 证明该系统的现实可行性与实际存在性。该系统的研究既扩展了记忆元件在非线性范畴的应用, 又为基于记忆元件的超混沌系统的实际应用奠定了基础。

• 共振电离对原子分子谐波光谱强度的影响

  冯立强

  为了增强高次谐波光谱强度, 提出了一种利用共振电离机制来提高谐波强度的方法。结果表明: 在 He 原子体系中, 受紫外共振电离影响, 谐波强度有 50 倍的增强。并且, 在啁啾场驱动下, 谐波截止能量也能增大, 进而获得一个高强度超宽谐波平台区。在 H2+ 分子体系中, 受电荷共振增强电离影响, 谐波强度也有近 20 倍的增强。并且在半周期单极场优化下, 该体系谐波截止能量也得到延伸, 进而获得一个只由单能量峰贡献的谐波平台区。进一步研究表明, 在两个体系的谐波平台区上选择一定的谐波叠加, 可分别获得脉宽在 36 as 和 32 as 的阿秒脉冲。初步的研究证实了所提出的方案有助于增强阿秒脉冲强度。

• 单层过渡金属硫族化合物中弱耦合极化子的磁场效应

  裴志成,丁朝华∗,耿艳波,肖景林

  利用 LLP 幺正变换与线性组合算符相结合的方法研究了磁场作用下单层过渡金属硫族化合物 ( TMDs )中弱耦合极化子基态能量的性质, 获得了单层过渡金属硫族化合物中弱耦合极化子的基态能量与磁场、声子的德拜截止波数 ( DW )、内部距离和本征极化率参数之间的依赖关系。计算结果表明: 单层过渡金属硫族化合物弱耦合极化子的基态能量为外加磁场和本征极化率参数的增函数、声子的德拜截止波数和内部距离的减函数。