量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2023年第5期

• 双波长锁模光纤激光器研究进展

  刘梦媛,齐瑶瑶,白振旭,张雨,王静静,丁洁,王雨雷,吕志伟,

  随着超大容量光通信的发展，密集波分复用技术被广泛采用。该技术需要稳定的高重复频率超快脉冲序列作为信号源，若采用多个单一波长输出的锁模激光器作为激光光源，系统的成本和复杂性将显著提高；而双波长锁模激光器因具有双波长输出、脉冲持续时间短、光束质量好和可调谐范围宽等优点，可有效满足超大容量光通信所需信号源的要求。此外，该光源在光谱学、微波产生等领域也均有应用。双波长锁模光纤激光器可利用双谐振腔结构、二维材料的高非线性以及腔内滤波效应等设计实现，其中腔内滤波效应可通过在激光谐振腔内插滤波器件、多模干涉和非线性效应如非线性偏振旋转三种方式引入。目前双波长锁模光纤激光器的输出波长主要在1 μm和1.5μm波段的光谱区域，输出功率为mW量级，未来将向实现输出中红外或更长工作波段以及瓦级输出功率方向发展。

• 基于发射和吸收光谱技术测量OH 浓度变化 受OH 生成条件的影响

  刘珂,黄晓东,庞山彪,邱选兵,李传亮,邓伦华

  羟基自由基(OH)在大气化学反应、燃烧和等离子体中都具有诊断作用。以水汽及其混合气体为母体， 通过辉光放电产生含OH 的等离子体， 同时测量OH 吸收和发射光谱强度随OH 生成参数的变化。高能电子碰撞解离水汽分子是产生OH 的主要途径， 在母体分子气压较低时， OH 的发射光谱和吸收光谱强度都随水汽浓度增加而增加，且两种光谱技术测得OH 浓度变化趋势一致。然而， 当母体气压超过一定阈值时， 气压持续增加会降低电子能量，减弱水汽分子的解离， 从而导致OH 吸收光谱强度随母体气压增加而减小。以纯水汽为母体分子时， 压力增加产生的碰撞致使OH 的A 态布居增加， 观测到OH 发射光谱随水汽压力增加而缓慢增加。但含氮气母体分子中氮氧化物分子会与OH 碰撞并发生反应， 导致OH 发射光谱强度随母体气压增加而减小。

• 外电场下二溴一氯甲烷分子的光谱特征和解离特性

  努尔比耶·艾则孜,闫好奎,向梅,布玛丽亚·阿布力米提,安桓

  在Semi-empirical 方法AM1 基组下研究了外电场(0~0.040 arb. units)作用下二溴一氯甲烷分子的光谱特征和解离特性： 外电场对分子键长、偶极矩、总能量、能级分布规律、红外光谱等的影响； 通过计算得到解离势能曲线。结果表明， 沿着y 轴方向加外电场， 强度从0 arb. units 增加到0.040 arb. units 时: 二溴一氯甲烷分子键长明显拉长， 分子偶极矩增大； 总能量先增大后减小； 能隙随着电场的增大而减小； 红外光谱随外电场的增强出现红移或蓝移现象。此外， 随着外加电场的增强， 势垒降低， 解离需要的能量逐渐减小， 当外电场达到0.040 arb. units 时， 分子发生解离。计算结果说明分子1C-3Cl 键在外电场下容易断裂， 这为二溴一氯甲烷的降解提供了理论依据。

• 二值形态学边缘检测算法的量子实现及仿真

  董跃华,张先光

  为进一步完善量子计算机图像边缘检测算法， 结合IBM Q 平台上的量子计算操作， 提出了量子图像二值形态学边缘检测算法。在NEQR 量子二值图像表示和量子二值腐蚀和膨胀操作的基础上， 设计并实现了相应的二值形态学去噪处理量子电路和边缘提取量子电路。通过Qiskit 扩展在虚拟本地量子模拟器上实现了8 ´ 8 和128 ´ 128大小的量子图像二值形态学边缘检测， 同时在IBM Q 平台的真实云端量子模拟器上实现了8 ´ 8 大小的量子图像对比仿真实验， 实验结果证明了量子图像二值形态学边缘检测算法的可行性与有效性。

• 基于IBM Qiskit的QRMW模型及算法实现

  朱尚超,刘志飞,魏战红,臧一鸣,孙文韬

  为了进一步验证 QRMW (Quantum representation of multi-wavelength images) 模型的正确性， 在IBM 量子计算框架Qiskit 上分别制备了2 × 2 大小与和32 × 32 大小的QRMW 量子图像的量子态， 提出了一种QRMW 图像的颜色通道交换算子和QRMW 图像的颜色置乱算子， 并给出了它们实现的量子线路， 进而在IBM Qiskit 环境下对新提出的算子进行了仿真实现。研究结果证实了QRMW 模型的可行性以及所提出算子的可行性与正确性。

• 光电反馈抑制DBR单纵模光纤激光器的弛豫振荡噪声

  刘元煌,魏珊珊,陈雨君,姚波,毛庆和,

  报道了使用光电反馈法对 1.5 μm 分布式布拉格反射 (DBR) 单纵模光纤激光器强度噪声的抑制结果。通过分析光纤激光器的泵浦扰动到激光输出功率波动的传递函数, 发现其相频响应在弛豫振荡频率处有180°相位突变。因此， 依据已有的商用比例积分 (PI) 控制电路设计并构建了一阶移相网络， 在弛豫振荡频率处提供45°超前相位以补偿该频率处的相位突变。采用该反馈控制系统， 可将激光器的弛豫振荡峰由 −95 dB/Hz 降至 −125 dB/Hz， 抑制幅度高达30 dB。抑制后的光纤激光器有望在精密测量等应用中发挥重要作用。

• 半导体激光器驱动电路设计及实验研究

  高彦伟,张玉钧,刘海秋,马慧敏

  可调谐半导体激光器是可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）系统的重要器件之一， 激光器输出波长的稳定性直接决定系统测量的准确性和稳定性， 而注入电流和工作温度是激光器输出波长的主要控制因素。设计了激光器驱动控制电路， 并利用PID 控制实现激光器工作温度的恒温控制， 不仅能提供高精度低噪声的注入电流， 而且对激光器有完备的安全保护功能。首先对注入电流和温度控制进行了短期测试分析， 随后将设计的电路应用于中心波长为1512 nm 的激光器， 开展了测试分析， 对激光器的温度、电流调谐特性进行研究， 并对激光器输出波长的稳定性进行了短期和长期测试。结果发现激光器输出波长的标准偏差为0.0002， 满足TDLAS 系统对激光器恒流恒温控制的要求， 表明该驱动控制电路实现了对半导体激光器的高精度驱动控制。

• 锁定参数与光钟稳定度关系的研究

  张宝林,马子晓,黄垚,管桦,高克林

  从量子力学原理出发, 结合光钟的锁定算法, 分析了光钟输出频率噪声的产生机制; 并以钙离子光钟为例, 用蒙特卡洛方法在计算机上模拟了光钟运行, 获得光钟的稳定度, 且在同样参数下, 与实验测得的稳定度进行了比较, 结果表明两者具有较好的一致性。同时, 通过修改光钟运行中的参数, 研究了反馈周期内每个频率点探测离子次数N、增益系数g 及激光的线性漂移对光钟稳定度的影响。结果表明光钟的秒稳对每个反馈周期内探测离子的次数N 不敏感; 且在g> 0.45 时, 稳定度开始变差; 此外, 相对于钟激光的线性漂移, 量子投影噪声对稳定度起主导作用。本研究提出的模拟光钟运行的方法能方便地应用到其他离子与原子光钟上, 可对不同实验参数下光钟的稳定度进行评估。

• 冷原子干涉动态重力测量中的噪声与系统效应分析

  车浩,李安,覃方君,黄春福

  采用灵敏度函数分析法对冷原子重力仪的噪声进行了分析， 并基于各噪声对应的传递函数建立噪声传递模型， 定量分析评估了振动噪声、拉曼光相位噪声和磁场噪声对重力测量灵敏度的影响。基于科里奥利力和稳定平台倾斜角等系统效应的修正公式， 建立系统效应分析模型， 定量分析评估了航向角偏差、速度偏差和纬度偏差对科里奥利力修正量的影响， 以及倾斜角偏差对稳定平台倾角修正量的影响。仿真和部分实测数据表明， 一方面， 各噪声被限制到特定水平时， 其对原子干涉灵敏度的影响仍可达μGal 级； 另一方面， 1°的航向角偏差或0.1 m/s 的速度偏差对科里奥利力修正量的影响可达1 mGal 以上， 1′的倾斜角偏差对稳定平台修正量的影响也可达0.42 mGal， 说明噪声和系统效应的影响都是不容忽视的。因此， 在动态条件下， 冷原子重力仪必须进行噪声抑制和系统效应修正，才能获得预期的高灵敏度、高精度重力测量结果。

• 基于光源检测的相位匹配量子密钥分发协议

  胡倩倩,冯宝,闫龙川,赵晓红,陈智雨,李文婷,李威

  量子密钥分发 (QKD) 在信道中容易丢失信息载体, 因此有限的通信距离和密钥生成速率是其应用的主要瓶颈。一般而言, 密钥速率受信道传输速率的限制, 而相位匹配量子密钥分发 (PM-QKD) 协议的提出克服了线性密钥速率的约束, 即安全密钥速率与传输速率的平方根成正比。虽然PM-QKD 协议可以保证探测器的安全性, 但光源方面仍存在一些缺陷。在PM-QKD 协议中, 一般假设光源为理想相干态, 而这与实际的QKD 系统不完全相符, 从而造成一些安全问题。本研究讨论了光子数分布未知条件下的PM-QKD 协议, 证明了光子数分布未知条件下的安全性分析仍然是合理的, 也表明基于光源检测的PM-QKD 协议产生的密钥率与理想光源下的密钥率基本一致。

• 一种用于量子密钥分发系统的脉冲光致盲攻击防御方案

  张波,瞿迪庆,罗俊,杜响剑,方余强,蒋连军,高松,于林,孙帆,唐世彪

  在量子密钥分发系统中，强光致盲攻击利用单光子探测器在实际工作中可能存在因强光导致的线性探测模式, 实现对单光子探测器输出0 或1 的控制, 从而实施密钥窃取。针对前人提出的新型脉冲光致盲攻击方案可能存在的漏洞, 提出了一种基于分光检测的脉冲光致盲攻击防御方案。在现行通过检测器件工作电流大小来判断是否有强光攻击存在的防御措施基础上, 该方案在单光子探测器被致盲之前实现强脉冲光的100% 检测, 从而关闭脉冲光致盲攻击的检测漏洞, 提升量子密钥分发系统的安全性。

• 基于四粒子GHZ态的半量子私有比较协议

  黄灌,娄小平

  半量子通信协议允许只具有有限量子能力的参与者进行量子通信, 与全量子通信协议相比, 减少了量子资源损耗, 节约了量子硬件成本。基于半量子模型, 以四粒子Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 态作为量子资源态, 提出了一种新型半量子私有比较协议。该协议可以在半诚实第三方的帮助下比较两个经典用户Alice 和Bob 的信息是否相等, 且不泄露他们的秘密信息。安全性分析表明该协议可以抵御内部攻击和外部攻击, 与现有的半量子私有比较协议相比, 经典用户所需的量子能力更少, 只需执行Z 基测量和反射接收的粒子, 且具有较高的量子比特效率。此外, 通过IBM 量子云平台进行了仿真实验, 验证了所提协议的正确性。

• 基于GHZ态的多方半量子安全直接通信

  郭瀚,李云霞,魏家华,唐杰,王俊辉

  量子安全直接通信不需要提前准备密钥, 直接通过量子就可以进行秘密信息传递。针对量子通信设备成本较高的问题, 基于 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 态粒子和半量子理论, 提出了一个双向三方的半量子安全直接通信 (SQSDC) 方案。该方案可以实现两个经典方和一个量子方之间的秘密通信, 且通过调整GHZ 态粒子的个数，可以将经典方扩展至任意多方, 因此尤其适用于一个上级单位和多个下级单位之间的通信。方案安全性分析表明,利用GHZ 态的纠缠特性进行窃听检测, 可以有效地抵抗窃听者的截获测量重发攻击和纠缠测量攻击。在三方通信时, 该方案的通信效率达17.65%, 具有较高的通信效率。

• HHL 量子算法的普适量子线路设计

  季雯,叶宾,

  HHL (Harrow-Hassidim-Lloyd) 量子算法实现了近似求解线性方程组Ax = b, 是许多复杂量子算法的重要组成部分。尽管HHL 量子算法相比于经典算法能够实现指数级加速, 但是目前HHL 量子算法大多为抽象的算法描述或分析, 所设计出的量子线路规模很小, 且不具有普适性。在分析HHL 量子算法原理的基础上, 使用通用量子门自上而下地设计了算法的关键模块, 包括酉矩阵的通用量子门分解模块、量子相位估计模块、量子全加器与乘法器模块、量子态条件旋转变换模块等, 从而实现了求解线性方程组的普适量子线路。利用IBM qiskit 量子计算开发平台进行的量子仿真实验表明, 所设计的HHL 量子线路能够求解一般形式的线性方程组, 且易于扩展为中大规模的量子线路。

• 四元量子可逆半加器、全加器和并行加法器电路的设计

  汤其妹

  多元量子逻辑比二元量子逻辑具有更多的优点, 是量子计算技术中一个重要的研究领域, 而加法器电路和减法器电路是计算机和其他复杂计算系统中各种计算单元的主要组成部分。提出了一种四元量子可逆半加器电路,该电路由四元1-qudit 门、2-qudit Feynman 门和Muthukrishnan-Stroud 门构成, 以及一种四元量子可逆全加器和四元量子并行加法器电路, 并将所提出设计与现有电路进行了比较, 优化了其性能。

• 一种基于高光谱激光雷达技术的涂改车牌识别方法

  邵慧,马万里,曹铮,李伟,杨丽娟,肖晓,陈杰,

  利用高光谱激光雷达系统采集涂改车牌空间-光谱域信息， 根据车牌逆反射特性， 设计基于光谱特征的两次阈值法实现涂改车牌识别。首先计算光谱特征波长， 利用一次阈值法分离车牌部分和涂改部分； 其次， 计算特征波段内车牌部分各点的光谱反射率曲线的梯度值， 利用二次阈值法判别涂改类型(背景转字符涂改和字符转背景涂改)； 最后， 根据涂改类型重建正确车牌字符， 将重建信息与二维平面数据融合得到正确的二维车牌图像， 送给车牌识别系统进行识别。实验结果表明该方法可实现多种涂改材料以及多种涂改类型的涂改车牌识别。

• 电晕辐射成像仪测试平台研制及性能测试方法研究

  路永玲,王真,胡成博,杨景刚,卢航

  电晕辐射成像仪在电力等领域已得到广泛应用, 为了实现对电晕放电等缺陷故障的精确定位检测, 建立了核心性能统一、科学可靠的测试平台和测试方法。首先, 对传统的电晕辐射成像仪高温黑体灵敏度测量法进行了关键性改进, 提出了一种新的基于标准日盲紫外光源和平行光管的测量方法, 通过光源、积分球及控制系统来实现光学成像测试、紫外灵敏度测试和带外抑制性测试。最后, 基于新方法研制了一套全新的电晕辐射成像仪光学成像性能、紫外灵敏度及带外抑制性能测试平台。研究结果表明: 所提出的测试方法和搭建的测试平台更易评估电晕辐射成像仪性能的真实情况, 满足电晕辐射成像仪实际测试的需求。

• 金属多包层波导的红外传输特性

  唐艳妮,王燕,阎晓娜,张惠芳

  利用高斯光束激励一个非对称的五层金属波导结构， 分析了其传输特性和透射谱。首先， 数值求解了该波导的本征方程得到波导支持的模式类型以及各模式的截止情况。进而利用高斯光束激励该波导， 根据高斯光束的角谱分布和模式耦合效率得到不同模式的振幅表达式， 并通过场分布方程得到出射口的平均功率流密度从而得到透射谱。研究结果显示当中心层介质折射率每增加0.02， 透射谱的极大值和极小值对应波长的相对距离偏移可达35 nm， 表明该波导可用于探测中心介质的传感器， 为波导在传感探测方面的应用提供了理论参考。

• 基于衬底集成空心波导的气体检测性能研究

  黄文彪,方勇华,刘家祥,司赶上,李振钢,程真,斯贝贝

  由衬底集成空心波导 (iHWG) 与傅里叶变换红外光谱仪 (FTIR) 结合组成的气体检测系统具有体积小、响应快、光路设计灵活、机械稳定性好等优点, 能够用于污染气体实时在线检测。iHWG 的几何参数如波导长度、横截面宽度和波导形状很大程度上影响了FTIR-iHWG 系统的检测性能。基于空心波导的传输理论, 理论分析了不同几何参数对iHWG 传输特性的影响。以体积比浓度为100×10-6 的NO2气体作为样本气体, 设计了四种不同几何参数的iHWG, 实验验证了理论分析的正确性。结果表明, 同等条件下, 横截面宽度越大的波导, 其系统检测性能越高； 对于不同形状的 iHWG, 直线型iHWG 系统检测性能更好。此研究结果将为 iHWG 的进一步优化设计提供借鉴。