量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2023年第4期

• 光子辅助太赫兹通信技术研究进展

  李小军,王迪,龚静文

  面对互联网时代呈指数增长的全球数据流量, 超高速通信的发展需求日益迫切, 太赫兹通信因拥有巨大的可用带宽资源, 成为下一代超高速无线通信关键技术之一。太赫兹通信系统分为电子学与光子辅助两种类型, 其中后者在通信速率、频率灵活调控、与光纤接入网无缝融合等方面具有独特优势。首先介绍了典型光子辅助太赫兹通信系统的基本原理, 在此基本原理框架下, 梳理了系统中信号生成与接收、多维复用以及概率整形等技术的研究进展, 并探讨了该类通信系统需要进一步解决的问题。

• 基于激光诱导击穿光谱的果木炭燃烧对空气成分影响的研究

  费晔,孙仲谋,田东鹏,刘骁源,刘玉柱,

  果木炭是一种常见的燃料, 其燃烧过程中产生的气体和烟尘气溶胶会影响环境空气质量并损害人体健康,因此对果木炭燃烧过程中空气成分进行检测与分析具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术对果木炭燃烧时的空气、烟尘气溶胶进行检测, 同时检测果木炭及其燃烧灰烬作为辅助分析。对四种样品的谱线进行标定, 发现果木炭燃烧时空气中碳浓度增大, 生成的气溶胶中含有Ca、Mg、K、Si 等元素。果木炭和灰烬的元素组成较为相似,均含有C、 Fe、 Mg、 Ca、 Sr、 K、 Na 和Ba 等元素, 果木炭光谱中C、H 元素谱线强度均高于灰烬。此外, 结合机器学习算法对有无果木炭燃烧时的空气进行区分, 选取C、CN 分子特征谱线所在的波段作为聚类分析的原始特征。主成分分析 (PCA) 结果表明在有无果木炭燃烧两种条件下的空气能被较好地区分, 证明LIBS 结合PCA 技术能有效地识别果木炭的燃烧并检测果木炭燃烧造成的空气污染。进一步利用 LIBS 结合机器学习算法对果木炭及其燃烧灰烬进行区分, 发现区分效果良好, 为果木炭燃烧后的回收利用提供了参考。

• 光束偏振对全息干涉制作复式光子晶体的影响研究

  戚志明,梁文耀

  光子晶体分为简单光子晶体和复式光子晶体，激光全息法是制作复式光子晶体的重要方法之一，光束偏振在其中扮演着重要角色。利用具有一定对称性的四光束配置干涉产生复式光子晶体，通过Matlab 编程进行数值仿真，系统研究了不同偏振组合 (包括单光束、双光束、三光束和四光束) 对复式光子晶体元胞形状及干涉对比度的影响。结果表明，各光束的偏振度及旋转角度均对复式光子晶体具有显著影响。在不同偏振条件下获得了一系列丰富的元胞形状，如波浪条纹、椭圆柱、锯齿状等。此外，发现当各光束均为线偏振光时具有最佳的干涉对比度。上述研究结果对制作特殊元胞的复式光子晶体和虚拟实验教学具有一定的理论指导意义。

• 太赫兹成像三维块匹配自适应Canny边缘检测算法

  於康杰,方波,李剑敏,王震,蔡晋辉,邬佳璐,何正龙

  针对传统Canny 算子在滤波时会模糊边缘且需要人工设置高低阈值的缺点， 提出了一种基于三维块匹配的改进自适应阈值Canny 边缘检测算法， 并用于太赫兹三维层析成像。该算法一方面对滤波方法进行了改进， 用三维块匹配 (BM3D) 滤波算法结合引导滤波算法代替高斯滤波算法以减少图像边缘信息的丢失； 另一方面， 针对传统人工设定阈值的不确定性， 将梯度图进行块匹配后对三维图像块组使用最大类间方差法 (OTSU) 以自适应确定高低阈值。最后利用该算法对含有噪声的图像进行边缘检测处理， 发现在高斯噪声方差为20 时滤波后的峰值信噪比(PSNR) 从22.202 提升至27.151， 验证了该算法去除噪声的有效性。三维块匹配改进自适应阈值Canny 边缘检测算法 (BM-OTSU-Canny) 减少了错误边缘的数量， 同时保留了连接性较好的边缘点， 改善了边缘细节信息的提取效果。

• 深紫外飞秒激光脉宽测量

  张艳琳,游利兵,王宏伟,王琪,胡泽雄,范军,方晓东,

  为准确测量193 nm 深紫外飞秒激光的脉冲宽度， 基于氟化钙的双光子荧光效应， 设计并搭建了用于紫外飞秒激光脉冲的脉宽测量系统。双光子荧光信号强度与入射激光光强的平方依赖关系证明了获得双光子荧光信号的可靠性。利用插入法进行了CCD 探测系统的数值标定， 获得单像素对应的时间尺度为7.35 fs。单脉冲测量下， 得到193 nm 深紫外飞秒激光的脉宽为476.1 fs， 与利用光谱法进行测量计算得到的结果基本吻合。

• 基于窄带耗散孤子Figure-9 光纤振荡器和单级 单模光纤放大器的皮秒脉冲光纤前端

  张震,段典,陈雨君,魏珊珊,马金栋,姚波,毛庆和

  报道了一种基于Figure-9 光纤振荡器和单级单模光纤放大器的皮秒脉冲光纤前端。通过优化光纤振荡器腔内光纤长度, 获得了中心波长约为 1064 nm、重复频率10 MHz、脉冲能量0.4 nJ 的自启动单脉冲锁模窄带耗散孤子皮秒脉冲；通过优化光纤放大器的增益光纤长度, 对光纤振荡器产生的21.07 ps 脉冲进行单级单模光纤放大后, 脉冲能量达10 nJ 时的脉冲光谱依然呈钟形结构, 3 dB 谱宽和脉宽分别为0.31 nm 和19.8 ps, 该皮秒脉冲光纤前端有望在精密加工等领域发挥重要作用。

• 基于YAG/Nd: YAG/Cr4+: YAG 键合晶体 的被动调Q亚纳秒激光器

  唐敬玲,齐月,白振旭,齐瑶瑶,丁洁,颜秉政,王雨雷,吕志伟,

  全固态被动调Q 激光器有光束质量好、脉冲宽度窄、结构紧凑等特点， 在雷达探测、工业制造等领域具有广泛应用前景。对YAG/Nd: YAG/Cr4+: YAG 键合晶体被动调Q 激光器的输出特性进行了理论和实验研究， 在泵浦光中心波长为808 nm、光斑直径为230 μm、泵浦功率为6.72 W 的泵浦条件下， 获得了平均功率1.41 W、脉宽736 ps， 重复频率8.46 kHz 的调Q 激光输出。进一步研究表明， 随着泵浦光焦点远离Nd: YAG 端面， 激光光斑的对称性下降； 且泵浦光焦点离Nd: YAG 端面的距离沿晶体轴向增大时， 激光阈值呈上升趋势。

• 退火温度对蓝宝石衬底上Mg2Si薄膜质量和光学性质的影响

  廖杨芳,谢泉

  采用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备了结晶良好的Mg2Si 多晶薄膜， 研究了退火温度（375~475 oC）对薄膜晶体结构、表面形貌、拉曼光谱和光学性质的影响。X 射线衍射（XRD）结果表明， 当退火温度为400 oC 时Mg2Si(220) 衍射峰强度最强， 样品结晶质量最好， 未见明显可观测的MgO 相。扫描电镜（SEM）结果表明， 所有样品表面均呈现清晰可见的规则六边形， 且退火温度对形貌影响较小。拉曼光谱结果显示所有样品均呈现出Mg2Si 薄膜的特征峰（256 cm-1附近的F2g振动模）， 同时出现345 cm-1附近的F1u (LO)声子模， 表明生成样品均为结晶良好的Mg2Si 薄膜。对薄膜光学性质的研究结果表明， 随着退火温度升高， 样品光学带隙先增大后减小。

• 基于金刚石NV色心集成振动检测模块的设计

  陈骊颖,黄堃,王琪,闫仕农

  原子对磁场的高敏感特性使得金刚石氮空位 (NV) 色心在量子传感领域的使用越来越广泛。为研究金刚石在振动测磁方面的优越性, 使用集成振动模块把传统的共聚焦系统集成在PCB 板上以测试振动结果。以圆柱形永磁体作为振动测磁的质量块, 由于外界振动的影响使永磁体与金刚石NV 色心的距离产生变化, 因此金刚石NV 色心上的磁场强度也会产生变化。对振动效应的检测通过金刚石NV 色心上光探测磁共振 (ODMR) 荧光信号的分析来获得。集成振动实验在距离永磁体15 mm 范围内对振动效应进行验证, 测试得到基于金刚石氮空位色心振动传感的位移噪声灵敏度为11 nm /Hz1/2。

• 用于原子干涉重力仪的小型频率合成器设计与实现

  摆海龙,白金海,胡栋,王宇

  在原子干涉重力实验中, 拉曼激光制备常采用光学锁相环方法, 即先将主从激光器拍频信号与 6.8 GHz 微波信号源进行混频, 再与直接数字频率合成信号发生器进行鉴频鉴相, 得到的反馈信号用以控制激光器实现低噪声拉曼光输出, 而拉曼光相噪将直接影响原子干涉重力仪的灵敏度。本设计采用 STM32F103C8T6 单片机对LMX2594 数字锁相环芯片进行编程控制, 通过锁相环频率合成技术, 最终获得 6.8 GHz 的微波信号源。测试结果表明, 该微波信号源相位噪声分别为 −65.2 dB@1 Hz、 −95.3 dB@1 kHz, 频率稳定度为 2.72 × 10-11@1 s, 输出功率大于10 dBm。在脉冲间隔时间为 100 ms 时, 信号源对原子干涉重力仪灵敏度的影响为 8 × 10-8 m/s2/Hz1/2, 分辨率影响为2 × 10-8 m/s2@600 s, 具有频率稳定度高、相位噪声低等优点, 可以满足原子干涉重力实验。

• 玻色-爱因斯坦凝聚体中三体和四体相互作用对自旋压缩和量子纠缠的影响研究

  李嵩松

  自旋压缩和量子纠缠在量子信息处理中有着极为重要而广泛的应用, 因此利用玻色-爱因斯坦凝聚中的多体相互作用产生自旋压缩和量子纠缠具有重要意义。研究了玻色-爱因斯坦凝聚的密度较大时, 三体相互作用和四体相互作用对自旋压缩和量子纠缠的影响, 利用短时近似解析计算了自旋压缩参数和两种不同的纠缠参数。结果表明: 在动力学过程中, 三体相互作用和四体相互作用能诱导产生自旋压缩和量子纠缠；且四体相互作用比三体相互作用能产生更强的自旋压缩和更好的量子纠缠。

• 一维强相互作用的玻色-费米混合气体 关联特性研究

  李艳,

  详细分析了一维强相互作用的玻色-费米混合气体的空间关联特性， 重点讨论了在绝对零度和有限低温下处于Tonks-Girardeau 原子气区域的玻色-费米混合量子气体的两体空间关联函数， 并将复杂难算的多体波函数的空间关联函数转化为容易计算的矩阵行列式。研究结果表明， 绝对零度下对于固定数目的玻色子（费米子）， 费米子（玻色子）的数目对玻色子（费米子）空间关联函数图样影响不大； 而有限温度下， 费米子（玻色子）的数目对玻色子（费米子）空间关联函数影响较大， 且随着温度的提升， 另一种粒子的数目对关联结果的影响也更显著。此外， 当总粒子数目一定时， 无论是在绝对零度还是有限低温下， 相同数目的玻色子和费米子的关联结果一致。

• 四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议

  王晟,方晓明,林昱,张天兵,冯宝,余杨,王乐

  量子密钥分发 (QKD) 具有信息论上的无条件安全性，而相位匹配量子密钥分发 (PM-QKD) 是双场量子密钥分发协议 (TF-QKD) 的一个变体， 其最近被提出用来克服没有量子中继器的点对点协议中存在的速率-距离限制。鉴于实践中不存在无限强度的诱骗态，提出了一种具有实用价值的四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议，即四强度诱骗态相位匹配量子密钥分发协议。给出了该协议的安全密钥速率公式，并通过数值仿真分析了该协议的性能，证明了该协议的有效性。

• 基于BP 神经网络的经典-量子信号共纤同传系统参数预测

  孙一石,孙弋

  光纤量子密钥分发的应用推广取决于与现有光网络的兼容性, 而利用波分复用技术将经典数据和量子信号进行共纤传输兼备安全性、经济性和实用性等优势。针对经典 - 量子信号共纤同传系统中信号态平均光子数、诱骗态种类数量等参数最优取值处理困难、 运行速度缓慢等影响其实用化的突出问题, 建模分析了主要噪声成分, 并在考虑统计波动影响下对有限长效应和诱骗态方法进行了评估。进而利用原始信号数据集对反向传播 (BP) 神经网络进行训练, 以实现不同信道噪声条件下的信号态平均光子数等系统参数的预测。结果表明, 该网络输出的预测平均光子数取值与原始曲线取值结果基本一致, 训练误差小于10−3。该网络可作为一种有效模型用于实用化诱骗态经典-量子共纤同传系统参数预测, 对量子保密通信向着高速率、 大容量、 智能化发展具有潜在的应用价值。

• 面向可靠性的CNOT量子线路最近邻综合

  朱明强,申文杰,牛义仁,张超,程学云,管致锦,陈亮

  在噪声中等规模量子 (NISQ) 设备上, 量子线路可靠性受到量子噪声的影响。为了实现CNOT 量子线路在量子芯片上高效可靠的执行, 以相邻量子位交互错误率为权重, 给出了计算最小Steiner 噪声路径长度的代价度量方法, 提出了噪声感知的CNOT 量子线路最近邻综合算法。实验结果表明, 与现有方法相比, 所提出的综合算法在保证线路可靠性的前提下, 有效地降低了综合过程中所使用CNOT 门的数量, CNOT 门代价的平均优化率达到27.7%, 其中200 门级的CNOT 量子线路优化率达到了93.79%。

• 一种二维架构下的量子电路布局与优化方法

  张超,管致锦,冯世光,牛义仁,朱明强

  为解决将量子电路映射到二维架构并实现量子位近邻问题, 提出了一种二维架构下的量子电路布局与优化方法。首先根据量子门在量子电路中的执行顺序和相互作用, 提出基于量子位权重的深度优先搜索量子位映射次序, 再考虑到映射次序的已放入量子位、待放入量子位和未放入量子位的关系进行量子位的初始布局实现量子位的初始映射；进而对近邻过程中的相同前瞻量子代价的选择进行了优化, 再根据优化后的代价结果, 插入SWAP 门, 实现所有双量子门的最近邻。最后利用实验对提出的方法进行了验证, 并与已有的方法进行了比较。结果表明所提出方法在中小规模的基准电路上平均优化率达到18%, 在中大规模的基准电路上平均优化率达到17%。

• 非平衡环境下相干对量子电池存储能的影响

  于文莉,张允,李海

  量子电池是一类储能量子器件, 在量子传感、分子马达等众多量子小系统中具有重要的应用前景。基于碰撞模型框架, 研究了单量子比特电池在非平衡相干环境下充电时, 环境相干对电池稳态存储能的影响。通过推导系统演化的量子主方程, 解析给出量子电池的稳态存储能, 进而分析了构成非平衡环境中的压缩相干与热交换相干对电池存储能的影响。研究表明： 环境辅助单元中的压缩相干对储能无贡献, 而热交换相干 (包括相干强度和相对相位) 则能够有效提升电池的存储能, 可视作一类有用的电池“ 燃料” 资源。

• 大口径地基太阳望远镜温度传感器标定方法

  闫智武,顾乃庭,饶长辉,

  热控系统是大口径地基太阳望远镜的重要组成部分, 它能最大限度地减小主镜面的视宁度效应和内部视宁度效应。在热控系统中, 温度传感器是监控主镜表面、热光阑表面和环境真实温度的“眼睛”, 因此, 其精度对热控系统乃至整个望远镜的性能均有影响。针对现有商用传感器精确度不高、零点和响应曲线随时间变化而变化等缺陷，在将其组装入太阳望远镜之前, 必须先对其进行标定。本工作采用一元线性回归的标定方法, 通过修正传感器的响应曲线, 从而提高传感器的测量精度。建立相应的实验装置， 验证了该标定方法的可行性和有效性。验证结果表明, 温度传感器的测量误差由1.5 oC 以上降低到0.05 oC 以下, 可以满足大型地基太阳望远镜热控制系统的要求。

• 基于光纤光声传感的油中溶解气体分析系统

  陈珂马凤翔赵跃李辰溪安冉朱峰杭忱

  针对目前变压器油中溶解气体分析装置体积庞大、抗电磁干扰能力弱、油路复杂等问题， 将光纤传感和光声光谱技术结合， 设计了一种基于光纤光声传感的变压器油中溶解气体分析系统， 用于检测油中溶解的微量乙炔气体。通过谱线分析优化激光波长， 并设计了恒温激光驱动模块。采用两根单模光纤分别将泵浦激光和探测光传输到光声探头中， 气体吸收光能产生的光声信号由法布里-珀罗干涉型悬臂梁探测， 并利用设计的光谱测量和信号处理模块进行解调。实验结果表明， 设计的光纤光声传感系统可有效探测出变压器油中溶解的乙炔气体的光声信号，检出限达到0.5 μL/L。

• 领结状金纳米二聚体耦合共振特性研究

  曹冬梅,李永放

  利用有限元法对领结状金纳米二聚体结构的表面等离激元共振特性进行了探究, 研究发现在几何形状保持不变的条件下, 二聚体共振波长位移与粒子间距呈e 的负指数变化, 并且指数衰减系数与粒子大小无关。进一步分析了纳米结构附近电场分布, 发现共振条件下单体结构的x 轴和y 轴电场分布都遵守e 的负指数衰减规律, 且场强与入射电磁波的偏振方向有关； 而受二聚体间表面等离激元耦合因素的影响, 二聚体之间的距离对场强的衰减速率有着巨大的影响。最后, 对二聚体共振吸收强度进行了研究, 发现吸收强度与二聚体距离之间的关系仍为e 的负指数函数规律。本研究结果对微距传感、粒子捕获等具有重要的指导意义。