量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2023年第6期

• 基于 ab initio 的 BX (X = H, D) 分子光谱性质 理论研究

  田亚莉,赵玉洁,周玮琪,和小虎,宫廷,孙小聪,郭古青,邱选兵,李传亮,

  基于相关一致aug-cc-pV6Z基组, 采用高精度多参考组态相互作用 (MRCI) 的方法, 计算了BX (X = H, D) 分子两个最低解离极限 B(2Pu)+X(2Sg) 和B(4Pg)+X(2Sg) 所对应的8个Λ-S态 (X1Σ+, a3Π, A1Π, 13Σ+, b3Σ-, 23Π, 15Σ和15Π)的势能曲线。求解径向薛定谔方程并利用LEVEL8.0程序拟合出分子的Λ-S束缚态光谱常数。计算了A1Π-X1Σ+ 的跃迁偶极矩、 Franck-Condon因子和振动能级辐射寿命。根据计算结果, 制定了电子跃迁系统的激光冷却方案, 为进一步研究BX (X = H, D) 分子光谱特性奠定了理论基础。

• 激光诱导击穿光谱的 Gold 去卷积算法 自动寻峰

  王永祥,姚明印,陈万钧

  为提高激光诱导击穿光谱 (LIBS) 寻峰中重叠谱的分辨能力并抑制随机噪声的干扰, 提出用Gold去卷积算法结合平滑处理的自动寻峰方法。对于标准样品NIST 1256b和NIST 1762的LIBS光谱, 先进行平滑处理, 然后采用高斯形系统函数去卷积, 最后用五点法对去卷积结果进行自动寻峰。实验研究了平滑处理结合不同半峰全宽 (FWHM) 的系统函数对重叠峰分辨能力和抗随机噪声干扰能力的影响。结果表明, 采用0.140 nm (比弱峰的FWHM稍大) 作为Gold去卷积系统函数的 FWHM, 结合平滑处理能取得高达0.039 nm的重叠谱分辨能力, 且寻峰峰位、峰值、曲线拟合与NIST数据库的数据都能较好地吻合。研究初步表明基于Gold去卷积算法的自动寻峰可应用于LIBS数据处理。

• 光谱法研究牛磺酸与人血清白蛋白相互作用

  玉叶廖娟文彬邓鑫

  采用荧光光谱法和紫外吸收光谱法， 研究了牛磺酸对人血清白蛋白 (HSA) 微环境和构象的影响， 结果发现不同温度下牛磺酸与HSA通过静态猝灭机制发生有规律地猝灭， 速率常数均 > 2.0×1010 L·M−1·s−1， 结合常数随温度升高而升高， 结合位点数接近0.5； 热力学参数焓变 < 0，熵变 > 0，自由能变化 < 0表明结合过程是自发进行， 主要作用力是静电引力； 根据Forster非辐射能量转移理论估算出牛磺酸与HSA结合距离为2.645， 存在非放射能量转移。结果表明牛磺酸影响HSA微环境， 使HSA空间构象发生变化， 牛磺酸保护肝细胞， 改善门静脉结构和功能可能与此作用机制有关。

• 一种量子彩色图像矢量中值滤波方案

  冉术坤,席景科,徐凯,牛金龙

  为进一步完善量子图像处理领域中的彩色图像降噪算法, 提出了一种基于量子矢量中值计算的量子彩色图像滤波方法。该方法利用量子纠缠将邻域像素与中心像素绑定至同一位置以避免量子卷积运算, 并将补码引入到量子电路中, 从而简化了矢量距离计算的量子电路, 此外还采用一次比较两次交换的方式设计了矢量中值选取的量子电路, 由此构建出完整的量子图像矢量中值滤波电路。实验相关指标表明, 量子图像矢量中值滤波对彩色图像椒盐噪声的抑制效果与经典矢量中值滤波基本相同, 但将经典矢量中值滤波算法的时间复杂度从O (22n) 降低至O (10n2 +216q2 )。

• 基于 FPGA 的微波相干源线性检测和特性表征

  王硕,潘佳政,魏兴雨,江俊良,张凯旋,李子硕,郭婷婷,许问渠,左权,周天石,盛怡凡,孙国柱,吴培亨,

  微波光子的检测和表征对于量子信息具有重要意义。通常使用Hanbury Brown-Twiss (HBT) 干涉仪对光子源性质进行检测和表征, 然而, 由于微波光子信噪比较低, 在对其进行检测和表征过程中常常需要多次计算才能移除噪声影响。本工作基于现场可编程门阵列（ FPGA）, 提出一种快速、可扩展的测量方案用于分析微波光子源性质, 可更快速地实现该计算过程。利用该方案对频率为3 MHz的相干源进行了模拟测量, 分析了二阶相关函数所具有的特性, 发现测量结果与理论具有良好的一致性。该系统的实现对未来进行单光子源检测具有重要意义。

• 高环境适应性全固态激光器

  段丹阳,董云升,张天舒,吕立慧,付毅宾,高慧慧,裴永康

  针对车载激光雷达对激光器光源的应用需求, 设计了一种高环境适应性、高重频的全固态激光器。设计上,采用ABCD传输矩阵理论对谐振腔进行计算和分析, 实现了激光介质内泵浦光和振荡光最佳的模式匹配; 实验上, 进行了谐振腔的胶水稳定性测试和局部温控测试， 从工艺上提高谐振腔的稳定性。通过测量激光器在高温、低温、振动等不同工况下的功率稳定性， 证明了激光器具有高环境适应性。该激光器基于风冷散热实现了整机在 −10 oC至55 oC温度范围内和公路谱振动条件下的稳定工作。在泵浦功率为8.31 W、声光调Q模式下, 获得了脉宽为7 ns、重复频率为4 kHz、平均功率为0.95 W、单脉冲能量为0.24 mJ的532 nm绿光输出，满足激光雷达车载的应用需求。

• 应用于高速 MDI-QKD 系统的脉冲激光器研制

  何宗武,黄思诚,温昕澄,马庆力∗,阴泽杰,

  在高速测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）系统中， 高成码率是实现远距离量子通信的关键。为实现更高的成码率， 系统各环节对光源有着更多的要求。针对这些要求设计了应用于高速MDI-QKD系统的脉冲激光器电路。通过对外部或内部触发信号的模拟调理及驱动设计， 实现了脉冲激光的产生； 通过模拟PID控制与双向TEC电流控制， 实现了温度的稳定。最终获得的脉冲光能够实现最高1.25 GHz重复频率、 24.2 ps脉冲半高宽、 30 dB消光比、 0.95 pm 波长抖动以及 2.014 nm 波长调谐范围的输出， 有利于成码率的提高， 满足高速 MDI-QKD 系统的要求。

• 阵列靶防护取样面板热效应仿真分析

  张凯,谭逢富,侯再红,黄志刚,仇陈祥,张巳龙,吴毅,

  探测器阵列靶是测量激光光斑分布的常用设备, 在高功率激光长时间辐照下阵列靶的取样面板需要更高的抗损伤能力。为了提高取样面板的抗损伤能力， 从热设计角度出发， 基于Ansys Workbench有限元分析软件， 比较了不同厚度、不同热管排布方式以及不同界面传热系数下, 防护取样面板在高功率激光长时间辐照下的温度场和热应力。分析结果表明， 添加十字热管排布后， 在激光辐照 120 s 时， 6 mm 厚度的取样面板耐受峰值功率密度从1470.9 W·cm-2提高至3632.1 W·cm-2。该仿真分析为阵列靶防护取样面板的设计提供了有效的理论和数据支持。

• 高空光谱辐亮度仪的光机设计与实验分析

  康祝海,李新,刘恩超,张权,郑小兵

  针对现阶段星载遥感器高精度定标的需求, 研制了高空光谱辐亮度仪, 可应用于辐亮度法替代定标, 提升定标精度。该仪器光谱范围为400～2500 nm, 搭载在高空气球平台上能够在18～35 km高空中直接对地测量反射辐亮度。该仪器光机系统主要由前置一体式镜筒、色散模块和光机温控模块组成。为了验证该高空光谱辐亮度仪的可靠性与测量数据的准确性, 在青海大柴旦开展了该仪器与美国 Spectra Vista 公司SVC光谱仪的比对实验以及高空飞行实验。实验结果表明: 在地面测量中两台仪器所测辐亮度具有良好的一致性, 二者偏差普遍在± 1%以内, 最大偏差在± 3.5%以内; 在高空飞行实验中, 研制的辐亮度仪在25 km高空中平稳飞行6 h, 获得了高空测量辐亮度, 各模块与探测器温度均稳定保持在设定值。实验结果验证了整个仪器的可靠性, 表明所研制的辐亮度仪满足对卫星遥感器的高精度定标需求, 适合于高空高精度测量。

• 金刚石晶体能带计算与光谱分析

  李海东,申玉,温雅,张申金,宗楠,薄勇,彭钦军,

  金刚石具有高的热导率、宽的光谱透过范围、大的拉曼增益系数和大拉曼频移等优势，已成为拓展波长、获得高功率高光束质量新波长的重要拉曼介质。我们利用第一性原理对金刚石晶体晶格参数、能带结构、态密度、声子谱等进行了完整的计算，系统地分析了结构特征、频谱、能带间隙及电子分布特性。在此基础上，进行了金刚石晶体光谱分析，考虑了电子运动态及电场方向对于能带间隙的影响。金刚石晶体在<1 0 0>晶向上最易受电场影响，在<1 1 1>晶向上最稳定。给出了全部本征振动模式和相应的频率，结果表明泵浦光沿着<1 1 0>晶向入射、并沿着<1 1 1>晶向偏振时拉曼增益最大。同时我们也讨论了光谱区域内多声子吸收机理，可为金刚石拉曼激光效率提升、波长拓展提供理论依据。

• 量子行走到经典行走的连续调控

  陈斌#,陈天豪#,张融

  为深入认识微观粒子的波粒二象性, 探索波态和粒子态之间的转变并制备多路径波态和粒子态的共存状态, 提出了通过引入量子控制实现量子行走中波态和粒子态之间的连续调控的理论方案, 并分别计算了量子行走的位置分布及方差随着辅助比特系数的变化情况。计算结果表明量子调控使得行走者不仅可以处于粒子和波的混合态, 还能处于相干叠加态。波态和粒子态之间的连续调控通过相干和混合方式的位置方差展示，, 并且给出了混合态和相干态两种调控方式的差异。量子行走为深入研究微观粒子的波粒二象性提供了一个实用的平台。

• 基于量子行走的确定性远程光子态交换

  曾妙娜,杨名,

  基于光学量子行走, 设计了一个能够实现远程光子偏振态和空间态交换的方案, 使得光子的低质量偏振纠缠与高质量空间纠缠发生互换, 最终使远程通信双方获得最大偏振纠缠态。也就是说, 利用光子在空间自由度上的远程纠缠资源来辅助, 可提高光子在偏振自由度上的远程纠缠。所有的后选择结果都是成功的, 因此这里的态交换是确定性的。该方案不仅适用于Werner态, 还适用于任意未知的远程光子偏振态, 因此该方案还具有普适性。方案中的半波片和光束移位器都是成熟的光学器件, 所以该方案简单易行, 为远程偏振纠缠操控提供了另一种备选方案。

• 基于真空涨落的高速量子随机数产生

  金振阳,万相奎,廖涛,陈柳平

  随着量子密钥分发 (QKD) 系统的深入研究与应用, 随机数的质量和产生速率面临着更大的挑战。为了满足随机数在QKD系统以及对于密钥安全性要求较高的场景下的使用, 提出一种基于真空涨落产生真随机数的实验方案。相比于传统方案使用的2 × 2偏振分束器 (BS), 该方案采用单模1 × 2的BS来实现光路的传输, 不仅节省了装置成本, 同时还得到了较高的随机数产生速率。在9.68 dBm光强的作用下, 得到量子噪声与经典噪声的信噪比为 11.92 dB。对通过12 bit的模数转换器采集到的数据进行分析, 结果显示经典噪声和真空散粒噪声均符合高斯分布, 通过计算得到最小熵为9.92, 原始数据经过安全性可被信息论证明的托普利茨 (Toeplitz) 后处理, 最终实现7.6 Gbit/s的量子随机数产生, 并且通过了Nist随机数标准测试, 验证了方案的可行性。

• 空间纠缠协助下对低纠缠 GHZ 态的确定性纠缠纯化

  朱孟正,苏梦远,公丕锋,张金锋

  基于偏振分束器和半波片线性光学元件, 把在偏振自由度中出现的比特翻转和相位翻转错误转移到空间自由度中, 从而实现针对极化低纠缠GHZ态的确定性纠缠纯化。利用线性光学和超纠缠的方法, 该确定性纠缠纯化方案实施过程中无需知晓待纯化的低纠缠GHZ态的任何参数, 无需将偏振自由度中相位翻转错误转化成比特翻转再进行纯化, 也无需引入非线性效应, 仅需一个纯化步骤, 即可确定性地纠正在偏振混合态中出现的比特翻转和相位翻转错误, 极大地增强了该方案的实验可行性。

• 基于随机优化模型的量子线路映射辅助设计方法

  卫丽华,朱鹏程,管致锦

  物理量子位之间的受限连通性是含噪中型量子计算设备面临的重要约束之一。量子线路映射方法通过插入量子交换 (SWAP) 门对量子线路进行变换， 使得其中的每一个量子位交互操作均满足物理设备施加的受限连通约束。在噪声环境下， 减少插入的SWAP门数对于提升量子计算成功率有重要意义。以最小化SWAP门数为目标, 结合随机搜索技术， 提出了一种基于多迭代随机寻优模型的启发式量子线路映射优化方法。实验结果表明， 该方法可以通过迭代大幅减少量子线路映射过程所需插入的量子门数， 并有效降低结果物理线路对初始映射的依赖程度。

• 基于互耦合半导体激光器的多边形网络混沌同步特性研究

  余子健,江光裕

  以三边三层多边形网络结构为出发点， 建立互耦合半导体激光器的多边形网络结构模型， 首先分析和研究了三边三层多边形网络结构中激光器的混沌同步特性。进而将三边三层多边形网络结构拓展到六边三层多边形网络结构甚至更为复杂的多边形网络结构， 并以第一层的激光器为顶点激光器进行结构优化， 研究了其结构中异层激光器之间的混沌同步。结果表明以三边三层多边形网络结构为基础， 当增加多边形网络结构中边数， 形成六边三层多边形网络结构甚至更为复杂的多边形网络结构时， 除顶点激光器外的其他激光器仍能实现同层和异层混沌同步。

• 基于色散傅里叶变换的孤子脉冲建立与放大研究

  刘韶清,周勇,高伟清

  基于色散傅里叶变换技术研究了反常色散腔内传统孤子和正常色散腔内耗散孤子建立时的孤子动力学过程。为探究脉冲在光放大器中如何随放大功率演变, 实验和模拟研究了这两类孤子经放大器放大后的动态变化。结果表明, 这两类孤子的光谱在建立时会经历不同的振荡过程, 传统孤子光谱会由能量有剧烈振荡的调制拍频状态过渡至稳定, 耗散孤子光谱则会由无序调制状态平稳展宽至稳定。在放大器中, 随着放大器泵浦功率的上升, 传统孤子光谱中心能量将被转移而展宽, 耗散孤子光谱则在保持谱宽不变的情况下在边沿出现尖峰。这些锁模光纤激光器和光放大器中的动态孤子非线性现象在超快激光及其放大系统中有着潜在的应用价值。

• 基于表面等离子激元的多通道滤波器设计

  张兴娇,曾礼丽,文如泉,廖建波,李薪蔚

  设计了一种由一个槽型腔和两个波导耦合构建的金属-介质-金属 (MDM) 滤波器， 并利用时域有限差分法对该结构进行了仿真研究， 分析了主要结构参数对滤波器传输特性的影响。研究发现： 纵向位移Ld对传输特性有重要影响, 会导致新的谐振峰出现; 在一定范围内, 槽腔宽度 Wc 的增加使得透射峰增加并且更均匀地分布在 600～1500 nm范围内。通过参数优化最终设计了分布于550、 730、 920、1330 nm波段窗口附近的多通道滤波器， 该设计透射峰窄、 品质因子良好， 且结构简单、 易于集成、 制作方便， 能够很好地运用在波分复用系统及光通信中。