量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2022年第3期

• 宽谱段 Czerny-Turner 光谱仪设计

  李世文,郑小兵,翟文超∗

  为满足宽波段高光谱Czerny-Turner 结构光谱仪的要求, 基于像差理论, 一方面通过光栅产生的像散补偿球面反射镜的像散, 另一方面通过柱面镜引入相反像散补偿剩余像散, 达到全波段消像散的要求, 从而提高Czerny-Turner 结构光谱仪成像系统的分辨率。首先理论推导出光栅和柱面镜补偿像散的基础公式, 并基于此分别设计出波段为900∼1700 nm 和1700∼2500 nm 全波段消像散的Czerny-Turner 光谱仪成像系统, 随后通过前置光路将两部分组合, 从而实现波段范围在900∼2500 nm 的消像散Czerny-Turner 结构光谱仪成像系统。此光谱仪系统全波段分辨率小于10 nm, 物方数值孔径0.07, 全波段点列图均方根半径小于4 m。ZEMAX 的优化分析表明, 该光谱仪在全波段范围内不仅达到消像散要求, 而且具有较好的成像质量。

• 小波阈值去噪在偏滤器光谱信号处理中的应用

  章志涛,丁芳,罗宇,陈夏华,叶大为,胡振华,罗广南

  等离子体发射光谱是研究托卡马克等离子体物理过程的重要诊断手段之一。边界等离子体中存在着复杂的原子分子物理过程，部分较弱的粒子光谱信号混杂着大量噪声，能否有效去除噪声、提高信号质量对后续利用其分析理解实验中相关物理过程具有重要意义。本文基于小波阈值去噪处理方法，以仿真信号和真实托卡马克实验中钨原子光谱数据为研究对象，采用信噪比(SNR)和均方根误差(RMSE)作为滤波效果的评价依据。仿真实验对比分析表明：选取sym5小波基，4层小波分解，启发式阈值计算以及渐进半软阈值函数进行小波去噪时，可获得最大信噪比28.2107，最小均方根误差0.0082，进而在实测偏滤器钨原子光谱信号处理中取得较好效果。结果表明：小波阈值去噪能够有效地消除偏滤器钨原子光谱信号中的噪声，同时较好地保留了有用信号，避免信号失真，显著提高了信号质量。

• 外电场下溴化铯的分子结构和解离特性

  安桓,向梅∗,布玛丽亚.阿布力米提,王兴晨,郑敬严

  利用Semi-empirical/PM6 方法, 研究了外电场(????0.015  0.035 a.u.) 作用下溴化铯(CsBr) 分子的基态结构、键长、总能量、偶极矩、电荷分布、能隙、红外光谱、以及势能面的变化规律。研究结果表明: 在外电场作用下, CsBr 分子结构发生明显的变化。随着Cs-Br 键方向的外电场增大, 分子键长、电偶极矩、电荷布居数、能隙均逐渐减小, 而分子的总能量却逐渐增大, 同时分子红外光谱的最强峰发生蓝移; 而随着外加负向电场的增大, 分子势能面降低, 势垒逐渐变小直至消失。研究还发现强度为????0.015 a.u. 的外电场会使Cs-Br 键断裂而发生分子解离, 这为大气层的保护提供了理论依据。

• 可见光/红外双波段离轴四反光学系统设计

  曹一青,∗,沈志娟

  反射光学系统具有无色差、结构紧凑、体积小和成像性能优良等特点, 被广泛应用于空间遥感探测领域。首先, 基于同轴四反光学系统像差表达式, 构建了以系统均方根波像差为条件的成像评价目标函数; 进而应用开发的自适应变异概率遗传算法求解该目标函数, 得到一组合适的同轴四反光学系统初始结构参数解; 随后,在上述系统结构基础上对其进行适当离轴消除系统中心遮拦, 并将四块光学面设定为偶次非球面, 应用光学设计软件Zemax 对其进行像差优化。最终设计了一款焦距为800 mm、工作波段为0.4∼1.6 m、全视场角为1◦、入瞳直径为80 mm 的成像质量良好的离轴四反光学系统。结果表明, 该方法为设计此类离轴光学系统提供了一种有效手段, 具有很强的实际应用价值。

• 平顶光束在不同系统中的传输特性比较

  姜其畅∗,张存,苏艳丽,孙悦,马紫微

  采用数值方法, 对平顶高斯光束在自由空间、单透镜系统和复杂光学系统中的传输特性进行了研究。结果表明: 平顶高斯光束在自由空间中传输时, 首先会产生凹陷, 形成两侧峰结构, 随后两侧峰会逐渐融合为单峰的类高斯结构, 并在相当长的距离内保持类高斯分布传输; 在单透镜系统中, 由于透镜的聚焦作用, 平顶高斯光束会在焦点处表现出强聚焦效应, 而随着传输距离的继续加大, 光束会再次恢复平顶分布; 在光阑和透镜组成的复杂光学系统中, 由于光阑的限制, 平顶分布遭到破坏, 在透镜焦点之后无法再恢复平顶分布, 说明在平顶光束光路中应当尽量避免光阑元件的干扰。

• 一种量子图像伪彩色编码方法

  臧一鸣,朱尚超,魏战红∗,刘志飞,林小竹,孙文韬

  为了解决量子图像处理中的图像增强问题, 提出了一种基于灰度级-彩色变换法的量子图像伪彩色编码方法。基于通用量子图像表示(GQIR) 模型, 对热金属码分段函数进行量子化, 并给出了该算法实现的量子线路图, 该量子线路设计分为量子R 变换器、量子G 变换器和量子B 变换器三部分, 总的量子线路图所用基本量子门数为2947。相比于经典伪彩色编码, 量子图像伪彩色编码基于量子态的叠加性和相干性, 实现了空间复杂度和时间复杂度的指数级降低。仿真实验结果表明该算法具有可行性。

• 基于改进 Faster R-CNN 的无人机 小目标检测算法

  张杨∗,程正东,朱斌

  为提升两阶段目标检测算法Faster R-CNN 对无人机小目标的检测识别效果, 提出了一种改进的FasterR-CNN 目标检测算法。对原始Faster R-CNN 算法的特征提取网络进行改进, 使用卷积层更少的ResNet-18 作为骨干网络, 减少算法的参数量; 针对无人机目标特点, 对Faster R-CNN 算法的特征金字塔网络中的特征融合方法进行改进, 增强了目标特征与背景特征的对比度; 使用双线性插值的方法改善因感兴趣区域池化而造成的预测框偏离的问题。最后, 在构建的低空无人机数据集上对改进的算法进行了实验验证，结果表明提出的改进Faster R-CNN 目标检测算法检测速度达到了35.5 帧/秒(FPS), 较原始Faster R-CNN 算法的15.8 FPS, 速度提高了约一倍, 且算法的平均精确度均值mAP 提升了0.7%, 有效提高了算法对无人机小目标的检测识别性能。

• 基于3D-MobileNetv2 的多目标实时跟踪框架

  毛仁祥,常建华,张树益李红旭,张露瑶

  为了克服卡尔曼滤波在远距离以及遮挡情形下跟踪不准确的问题, 设计了一个多目标实时跟踪框架, 利用神经网络预测目标物体在三维空间里的状态, 使用匈牙利算法逐帧进行数据关联, 设计轨迹管理模块管理相应的轨迹, 实现多目标跟踪。相较于传统的框架, 该框架不需要在图像空间执行卡尔曼滤波, 不仅能在高帧速率准确跟踪遮挡目标, 而且对远距离目标也有优异的表现。以KITTI 数据集进行测试, 性能指标如下: 多目标跟踪准确度为79.22，多目标跟踪精确度为78.33, 多数丢失数为54.19, 多数跟踪数为13.21, ID 转变数为16, 运行速度为39 帧/秒。相较于传统的卡尔曼框架, 准确率提升了11%，并且抗遮挡性也有大幅度提升。

• 三节点一维相互作用链的非平衡 自旋传输特性及其解析公式

  郑仰东,∗,高华

  为理解和处理介观系统中电子自旋传输的基础理论问题, 对典型的三节点一维相互作用链模型的非平衡自旋传输特性进行了理论分析以及解析公式的推导。首先严密推导出半填充假设下模型的基态并计算了各节点的初始电荷。然后基于Keldysh 非平衡格林函数理论, 阐述了其基本理论方法并推导了考虑电子间库仑相互作用及Hartree-Fock 近似条件下模型的非平衡自旋传输特性(非平衡微分自旋电导、自旋传输电流和自旋电荷分布) 的主要解析公式。最后在典型参数条件下使用这些初始电荷和解析公式对相关模型的非平衡自旋传输特性进行了自洽计算, 并给出相应的物理解释, 验证了公式的正确性和有效性。

• 二维十字型四终端量子点阵列的量子输运

  罗国忠

  介观体系的电子输运，为设计有纳米尺度的纳米结构的电子装置提供理论依据。基于紧束缚模型的二终端量子点点阵体系的透射系数的传输矩阵方法，提出了二维十字型四终端量子点点阵体系的模型，将其转化成二终端模型去探讨，研究了相对于中间原点处非对称和对称的十字型量子点点阵体系的电子输运。结果表明：具有空间反转对称的十字型量子点阵列的透射率的尖峰个数与量子点点阵上的量子点数相等，透射系数与入射电子能量、量子点宽度和量子点数有关，透射系数与跃迁积分无关。

• 基于 FPGA 的星地量子信号同步方案

  李叶,金标,王潮泽,李凤芝,刘尉悦∗

  星地量子密钥分发过程中, 在空间链路衰减一定的条件下, 可以通过提高卫星的光量子波包发射频率来提升系统的成码量。然而, 随着光量子波包发射频率的升高, 接收端恢复所探测光量子波包时间位置的难度也随之提升, 从而影响着量子信号的同步结果。为保证较好的同步效果, 利用高精度时间测量和多普勒修正技术,在卫星端发射频率为625 MHz 的条件下, 实现了一种基于FPGA 的星地量子信号同步方案, 使接收端探测的时间精度达到52.4 ps, 筛选码误码率为1.78%。该方案能够恢复出所探测光量子波包的时间位置信息, 可用于量子信号传输过程的同步。

• 基于级联 Polar 码和多级译码方法的 连续变量 QKD 数据协商协议

  周晓东,王晟,张天兵,胡宗富,冯宝,∗,肖红

  数据协商是量子密钥分发协议的重要步骤之一，其协商效率直接影响了量子密钥分发的密钥率。提出一种基于级联Polar码和多级译码方法的连续变量量子密钥分发数据协商协议。所提协议在多级编码调制系统的基础上，利用纠错性能更好的级联Polar码作为分量码应用到多级译码中。仿真分析了协议的性能，结果表明所提协议的协商效率被极大地提高，同时密钥的比特错误率也极大地降低，当信噪比等于0.5dB时该协议的误比特率小于10^-3，研究结果对连续变量量子密钥分发的实用具有重要的价值。

• 基于微环谐振腔的宽带纠缠源制备方案

  唐晓帆

  近年来，量子纠缠在量子通信、量子计算等方面得到广泛的应用，因此制备高性能多样化的集成量子多组份纠缠源具有重要的研究意义。利用可调谐激光器泵浦氮化硅微环谐振腔，在三阶非线性效应的作用下谐振腔内会发生四波混频现象，产生信号光和闲置光。基于判断信号光和闲置光纠缠的纠缠判据，计算出各组份信号光与闲置光之间的纠缠度。结果显示微环谐振腔可以产生八对双组份连续变量量子纠缠态。该纠缠源系统具有体积小、功耗低、易于集成的优势，在集成光量子芯片领域中具有较重要的研究价值。

• PSK 量子噪声随机加密系统的实现方法研究

  谭业腾,蒲涛∗,郑吉林,周华,苏国瑞

  量子噪声随机加密(QNRC) 是一种基于海森堡不确定性原理的物理层加密技术, 其能够适用于高速率、大容量以及长距离的光纤通信网络。针对QNRC 系统中多进制Y-00 密文信号的调制及解调受限于高采样速率、高转换深度的ADC 芯片的问题, 提出了一种利用多个串联相位调制器(PM) 进行Y-00 密文信号的调制及解调的实现方法, 并利用VPItransmission Maker Optical Systems 仿真软件对该实现方案进行了仿真验证及性能分析。仿真结果表明: 基于多个PM 串联的方式, 实现了密文态数目为126、数据速率为10 Gbit/s 以及1000 km光纤放大链路传输的相移键控-量子噪声随机加密(PSK-QNRC) 系统; 降低密文量子态的介观功率有利于提高QNRC 系统的安全性水平, 但同时会损害系统的传输性能, 因此选择合适的介观功率对于优化系统的安全性和可靠性具有重要意义。

• 基于 Cirq 的Grover 搜索算法的电路实现

  吴希,李志强∗

  Grover 量子算法能对传统的搜索算法起到平方级加速的效果, 因此自提出以来一直受到人们的广泛关注。首先将基于Python 的Cirq 框架与Grover 搜索算法进行结合, 并对其进行模拟实现, 可以直观地看到算法的电路实现细节, 同时, 实验验证了该算法的特点与存在的不足。进而针对搜索成功率存在的不足, 从理论上介绍一种基于相位角旋转的精准Grover 改进算法, 并通过Cirq 框架对其进行模拟实现, 验证了该算法成功率始终为1 的有效性。Cirq 框架的引入为量子算法的研究以及量子电路的优化提供了强大的工具支持。

• 基于 Cirq 的Deutsch-Jozsa 电路综合算法

  戴娟∗,李志强,杨冬晗

  研究Deutsch 问题的关键在于构建Oracle 电路和综合Deutsch 电路。利用Google 推出的Cirq 框架, 首次提出了一个针对n 比特Deutsch-Jozsa 算法的电路综合算法。该算法根据输入的量子线数n, 随机生成f (x) 集合, 从而构建Deutsch 电路并对其进行模拟。其中, 生成的f (x) 集合是常数函数或者平衡函数的概率是相等的。在此基础上对综合算法进行了优化, 优化后的算法既减少了门的总数量和层数, 也简化了电路的结构, 电路模拟的速度较优化前成倍数地加快, 当n=15 时, 优化后的模拟所需时间仅是优化前的1/6。

• 量子行走中硬币与行走者纠缠关联的研究

  张融∗,凌凯

  量子纠缠态是量子计算与量子通信的重要资源。量子行走中的条件行走操作是非局域算符, 导致行走者和硬币之间产生纠缠关联。对于演化操作随时间不变的有序量子行走模型, 纠缠关联与系统演化操作、初态以及演化时间都有关。分别计算了这些因素对纠缠熵的影响。计算结果表明当选择合适的演化操作和初态时,经过较少步数就能得到最大纠缠态。所提出理论方案通过在空间不同位置添加相位因子, 为实验制备高维纠缠态调控提供了更加易于实现的方法。

• 一维光子晶体的湿敏禁带特性研究

  叶铮,武校刚∗,马佳勇,潘文亮,唐秀陆

  采用二维纳米材料作周期性排列设计了一种湿敏型一维光子晶体纳米结构, 并基于多层介质的传输矩阵光学特性, 研究了所设计传感结构的透射光谱的湿敏光学特性及其湿敏禁带特性, 以及在TE 和TM 两种光波传播模式下一维光子晶体能带结构的光子禁带与环境湿度之间的变化关系。结果表明: TE 模式和TM 模式下,在0%∼100%的相对湿度变化范围内, 一维光子晶体具有显著的光子禁带, 且光子禁带的初始波长、截止波长及禁带宽度都随环境湿度呈二次方规律变化。

• 强非局域介质中复宗量厄米-高斯型空间光孤子

  王形华,陈荣泉∗,王清

  不同阶数复宗量厄米-高斯光束具有不同的光强和相位分布, 当阶数增大时, 涡旋奇点个数增加, 其个数与阶数相等, 同时光束束宽和椭圆率也随之增大。利用分步傅里叶法数值模拟了复宗量厄米-高斯光束在强非局域介质中的传输, 发现初始功率不等于临界功率时, 可得到振荡传输的呼吸子; 若光束的初始功率等于临界功率,可得到稳定的孤子。进一步研究表明, 孤子光强的旋转方向取决于参量 中虚部前面的符号; 不同阶数孤子的临界功率相同, 轨道角动量却随着阶数的增加而增大; 在添加噪声后, 复宗量厄米-高斯型孤子依然能稳定传输。

• 基于改进 Gardner 算法的水下无线光 OQPSK 系统性能分析

  杨祎,刘雯∗,阴亚芳,贺锋涛,张建磊

  针对水下无线光通信(UWOC) 中海水信道的衰减特性和系统自噪声对调制性能的影响, 提出了一种改进的Gardner 定时同步算法, 建立了基于偏移正交相移键控(OQPSK) 调制的UWOC 系统模型, 仿真分析了OQPSK 调制系统中水质和传输距离对误码率(BER) 性能的影响规律。结果表明, 与正交振幅调制(QAM)、四相相对移相键控(QDPSK)、开关键控(OOK) 调制的系统相比, 当系统BER 达到10????3 时, 采用OQPSK 调制可分别获得2.2、4.4、6.2 dB 左右的增益。与OOK 调制相比, 采用OQPSK 调制可获得2.38.2 m 的距离增益。在衰减较大的水下信道中, 提出的Gardner 算法较好地改善了OQPSK 调制信号的同步性能, 与传统算法相比, BER明显降低, 可获得约12.514.2 dB 左右的增益。