量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2024年第1期

• 分布式量子计算研究进展

  王升斌,窦猛汉,吴玉椿,郭国平,郭光灿

  量子比特的高效拓展是量子计算获取量子加速优势需要解决的基本问题, 分布式量子计算 (DQC) 因其高度可行性和灵活性, 成为解决量子比特拓展问题的关键技术之一。根据芯片间通信方式的不同, 分布式量子计算可以分为基于量子隐形传态和基于量子线路拆分的分布式量子计算两种类型, 前者主要面向容错量子计算, 而后者被认为可在中等规模含噪声量子 (NISQ) 时代有效提升量子计算机算力。从长远角度来看, 作为量子网络的主要应用之一, 分布式量子计算可以更好地整合接入量子网络的海量量子计算机以解决高难度问题。首先介绍了分布式量子计算的来源和类型, 在此基础上, 给出了两类分布式量子计算的基本原理和发展状况, 以及关注度较高的应用算法和编译优化方法。

• 基于LabVIEW的质谱与红外光谱信号采集系统

  余桂生,胡勇军,孙晓楠

  针对实验室现有示波器存在集成性差、可扩展性不强等缺点，同时为了提高质谱信号采集效率和精度，设计了一套基于LabVIEW 的质谱与红外光谱信号采集系统。该数据采集系统依托LabVIEW 软件平台与CSE22G8 数据采集卡，并结合叠加平均去噪算法，实现了低信噪比背景下微弱质谱信号的实时采集与处理。此外，通过TCP 通信协议实现可调谐光学参量振荡器（OPO）的同步控制，使用户可以在采集质谱信号的同时获得相应的红外吸收光谱图。测试表明，该系统的分辨率较实验室原有示波器提高一倍，采样点数可达每微秒2000 个，波形重构能力显著提升，具有较好的数据采集性能。

• 基于荧光淬灭传感技术检测三硝基甲苯的研究

  章美娟,方慧雯,卫玉娇,杨锦宏,汪卫华,贺胜男

  目前针对常见爆炸物三硝基甲苯 (TNT) 的检测越来越受到重视。本研究采用低成本的芴基发绿光共轭聚合物（ FGEP） 研制荧光淬灭传感器用于检测TNT。实验研究了FGEP在不同溶液浓度下形成的不同厚度薄膜对TNT 淬灭的效率， 实验结果表明浓度为0.5 mg/mL (厚度为19.50 nm) 的样品薄膜在TNT 蒸气中淬灭效率最大达到71.71%, 基于此淬灭效率最高的样品薄膜的研究发现： 该薄膜对TNT 的响应具有良好的可逆性； 激发光强度为16.5mW 时，荧光淬灭效率最佳； 最后开展了样品在TNT 作用下与光漂白作用下的实验研究。研究结果为后续实现一种低成本、易于制备、可重复性高且有利于工程化的爆炸物传感器提供了一定基础。

• 基于光谱分解和PSOBP组合模型的光谱重构研究

  胡春晖,张黎明,李鑫

  针对R矩阵法的光谱分解，神经网络训练权重的优化及训练样本的合理选择，提出了一种基于机器视觉特性的光谱分解方法，并对同色异谱黑的反演建立了粒子群优化神经网络模型（PSOBP），利用全局训练样本和局部训练样本的二次光谱重构方式进行了仿真实验。结果表明，在D65光源下，利用本文提出的方法，RGB相机观测下重构两种测试集均方误差平均值至少降低1.71%，0.51%，色差最大值为3.5579，2.3776，满足人眼辨别颜色阈值要求，WorldView3观测下光谱重构精度均方误差在410~510nm、555~565nm、590~685nm、705~740nm波段内不超过2%，适应度系数表示的可接受样本占比均为91.667%，色差最大值分别为1.6002，1.1177，其光谱重构精度、色度精度较其他方法均有所提高，且6通道多光谱相机已能满足较高精度光谱重构的要求。

• 高次凸非球面补偿检验方法研究

  陈光宇,胡明勇,杨传龙,封志伟,徐剑锋,白茜,崔金龙

  高次凸非球面镜是光学系统中至关重要的元件, 通常作为次镜来补偿光学系统的轴外像差, 但其检验方法一直是一大难点。基于背向零位检测方法, 提出利用三透镜与单折射面组合的形式来补偿高次非球面的法线像差。首先选取高次非球面的二次比较面来简化计算, 基于三级像差理论求解系统的初始结构, 对高次非球面的法线像差进行补偿，使用ZEMAX 软件仿真与优化后, 设计结果完全满足要求。随后结合一块有效通光口径为170 mm、顶点曲率半径为266.8 mm 的高次凸非球面反射镜, 测得镜面的面形精度均方根为0.019 λ (λ = 632.8 nm), 满足实际检测要求, 验证了所提设计方法的可行性。此方法为大口径高次凸非球面的检验提供了一个新的思路。

• 基于六阶波像差理论的非球面大孔径 折反射成像系统像差优化方法

  曹一青,沈志娟,吕丽军

  大孔径折反射成像系统被广泛应用于机器人导航和安全监控等领域。首先分析了超大视场光学系统六阶波像差理论应用于非球面光学系统的像差计算方法, 随后基于该六阶波像差理论, 构建了非球面大孔径折反射成像系统像差优化评价目标函数, 并给出了求解这种包含多个光学参量的目标函数的优化算法, 得到优化后的系统结构参数。最后, 应用所提方法设计了一款工作波段为400～700 nm、最大视场角为120°、 F 数为2.6 且成像质量较好的光学系统。设计案例的结果表明所提出方法是有效的, 为非球面大孔径折反射成像系统像差优化提供了一种有效手段。

• 受激拉曼散射光谱中泵浦光偏振效应的研究

  李涛,李玉慧,胡坤,王盼归,赵洪辉,喻远琴

  与常规的自发拉曼散射相比， 受激拉曼散射（ SRS） 经常使用两束光场（ 泵浦光和Stokes光）， 这为偏振操控SRS 过程提供了一个额外的自由度。为此， 开展了泵浦光分别为圆偏振和线偏振的SRS 对比研究。首先， 基于非线性耦合波方程， 从理论上分别推导了泵浦光为圆偏振和线偏振时（ Stokes光始终保持线偏振） SRS信号强度表达式。随后， 以具有球对称的甲烷分子为例， 实验测量了上述两种偏振光泵浦下甲烷分子υ1和υ3振动模在2800~3100cm-1的SRS 光谱。实验结果与理论分析一致表明： SRS 的信号强度不仅与泵浦光的偏振态有关， 还与待测分子振动模式的对称性紧密相关。本研究结果为SRS 的偏振应用提供了有益启示。

• 10 MHz氢钟信号传递系统

  蔡桢荻,孙焕尧,陈群峰

  为满足同一科研园区内不同建筑之间10 MHz氢钟信号（ HCS） 长期稳定度共享的需求， 提出了一种低成本、集成化的基于光纤链路的10 MHz HCS 传递完整解决方案。该方案采用1 GHz 的射频信号对激光光强进行调制， 利用光纤实现信号传递。通过将远端反射信号与本地信号和频后直接与待传递的HCS 分频鉴相， 输出误差信号反馈控制1 GHz 信号的频率， 实现远端1 GHz 信号与本地HCS 之间的相位锁定， 从而使远端1 GHz 信号具有与本地HCS 相同的频率稳定度； 之后再通过分频器在远端生成10 MHz 信号， 作为射频参考输出。实验验证了该方案的频率传递保真度， 该系统在200 m 往返光纤上的附加频率稳定度 (艾伦偏差） 为1 s 平均时间2.4 ´ 10-13 和10000 s 平均时间5.7 ´ 10-17； 在20 km 传递距离上， 附加频率稳定度 (艾伦偏差） 为1 s 平均时间4.8 ´ 10-13 和10000 s 平均时间2.1 ´ 10-16。研究结果表明该系统的长时间频率传递稳定度优于HCS 的频率稳定度， 可以满足千米范围内氢钟信号共享的需求。

• 玻色-爱因斯坦凝聚与光场作用的保真度

  格日乐,萨楚尔夫,格根图雅,宫艳丽

  利用量子信息论和数值计算方法, 对Pólya 场态与玻色-爱因斯坦凝聚原子相互作用系统的量子态保真度演化问题进行了研究。讨论了玻色-爱因斯坦凝聚原子间的相互作用强度、 Pólya 场态概率参数和分布参数, 以及这些物理参数如何影响量子态保真度随时间的演化。研究结果表明: 上述三种物理参量均可调制信号传输中的量子态保真度, 其中光场概率参数η 对量子态保真度的变化影响最大, 当 η = 0.01 时, 量子信息保真度的值非常接近信息理想传输的情形; 另一方面, 凝聚原子间的耦合强度越大, 量子态保真度呈现出的周期性振荡也越强, 但量子态保真度的取值范围不变。

• 热噪声环境下的量子调控优化

  刘学铭,陈永聪,敖平

  环境热噪声是量子计算走向规模化的一大阻碍， 其存在对量子调控过程的鲁棒性和保真度提出了更高要求。采用随机动力学结构分解方法， 并根据Kubo-Einstein 涨落耗散定理， 研究了热噪声环境下量子调控的量子动力学优化问题， 即如何提高热噪声环境下量子调控过程的保真度。基于二维球面上的经典路径可完全描述单个量子比特运动这一特性， 提出了基于梯度下降算法的变分优化方案， 并通过数值模拟证明了该方案的可用性。结果发现， 在经典极限下影响量子调控过程保真度的主要因素是热涨落。该方法有望与实验相互验证， 进一步指导和评估实验方案， 以期实现量子门的高保真度。

• 基于参数化角编码的量子K-means算法

  冯微军,郭躬德,林崧

  结合K-means 算法和角编码技术, 提出了一种无需量子随机存储 (QRAM) 的量子K-means 算法。该算法利用量子操作的并行性, 仅需对数数量的时间复杂度就能完成数据的加载; 并且通过对输入数据进行参数预处理操作,确定数据分量的参数阈值, 解决了样本不同特征尺度差异的问题。该算法由编码数据、相似度度量、量子最小值搜索和质心迭代更新四个主要步骤组成, 细致描述了这些步骤所涉及的算子和线路构建, 并对关键线路进行了仿真模拟。实验结果和经典预测结果一致, 验证了所提量子K-means 算法的可靠性。此外, 理论分析表明所提出算法相比于经典算法在运行时间上有平方级加速。

• 基于半量子安全直接通信的量子拍卖协议

  杨涵,冯雁,谢四江,

  针对现有量子密封拍卖协议中存在的报价隐私保护不够、恶意竞标者与第三方共谋等问题， 提出了一种基于半量子安全直接通信的量子密封投标拍卖协议。该协议采用半量子安全直接通信， 通信时拍卖方仅需拥有测量和反射粒子的能力； 通过对投标方报价的保序加密， 实现对报价的隐私保护； 利用隐私比较， 在无第三方参与的情况下， 拍卖方也能比较保序加密后的报价信息。理论分析表明面对截获-重发、受控非门 (CNOT)、相位反转、共谋等攻击时， 所提出协议仍具有较高的安全性， 且与同类型量子拍卖协议相比， 新协议通信效率不受投标人数的影响。

• 一种基于GHZ态的半量子双方身份认证协议

  李想,张可佳,

  半量子身份认证在保障通讯安全方面发挥着至关重要的作用。通过引入一个量子第三方对密钥进行集中管理, 提出一种新的基于Greenberger-Home-Zeilinger (GHZ) 态的半量子双方身份认证协议。首先, 对参与者的量子能力进行限制, 两个认证者都只具有半量子的能力, 协议使用更少的量子资源。其次, 协议中两个半量子参与者只需要执行简单的测量操作和异或操作。安全性分析发现, 利用该协议进行量子通信时，假冒攻击、截获重发攻击和纠缠附加攻击等攻击都无法引起合法身份信息的泄露, 表明该协议可以有效防止非法的不诚实参与者获得合法身份, 具有较好的安全性和实用性。

• 记忆幅值阻尼噪声下带有弱测量与恢复测量的量子隐形传态

  向生建,陈云松

  认识并降低噪声对传输粒子保真度的影响, 是量子隐形传态重要的研究方向之一。不同于以前的独立噪声和带记忆的Pauli 噪声, 研究了记忆幅值阻尼噪声对保真度的影响, 并给出了一个抵抗该噪声信道的方案。该方案通过让参与者在粒子分发前实施弱测量而粒子接收后实施恢复测量的方式提高保真度。研究结果表明, 记忆幅值阻尼信道的记忆因子强度与保真度大小呈正相关, 并且在部分记忆信道与全记忆信道下弱测量与恢复测量方法也能一定程度上提高传输粒子的保真度。

• 基于最小权和模板匹配的Oracle线路优化

  杨冬晗,李志强,吴希,潘文杰,杨辉

  优化量子线路对于提高量子算法的计算效率和降低资源成本至关重要, 特别是在布尔函数构建的Oracle 线路中。该优化过程分为两个关键阶段， 第一个阶段基于最小权匹配算法对Oracle 线路相同受控点的MCT 门进行重排序, 最小化生成线路的门数; 第二个阶段利用模板匹配的方式进一步降低线路的门数和代价。实验结果表明, 相较于优化工具RCViewer+, 在4~10 位量子比特数下, Deutsch-Jozsa 算法下的Oracle 线路门数降低了约48.3%, 代价减少了约64.5%; Grover 算法下的Oracle 线路门数降低了约25.0%, 代价减少了约18.2%。

• 一种提高量子线路保真度的转换方法

  牛义仁,管致锦,李海峰,陆俊宇

  在实际量子计算中， 量子比特和量子操作表现出不同的品质特性， 从而影响量子计算结果的保真度。而量子受控非门（ CNOT门） 错误率在品质特性中占据主要地位。提出了一种既能满足连通约束又能提高保真度的量子线路转换方法， 该方法先通过Floyd 算法找出量子位移动路径， 基于该路径上存在的一个或多个双量子比特门执行的成功率， 构建启发式函数， 以此来选择线路中高保真度的交换方式。多个基准测试实验结果表明， 与IBM Qiskit工具包中的SabreSwap 和StochasticSwap 算法相比， 本工作所提方法在量子线路保真度方面分别提高了39.29% 和36.06%。

• 忆阻Sprott-R混沌系统的复杂动态分析 与电路实现

  曾繁鹏,赖强,赖聪

  基于Sprott-R 三维混沌系统， 提出了一个具有多稳态和调幅特性的简单四维忆阻混沌系统。首先分析了系统的稳定性， 发现该系统具有无穷多个不稳定平衡点。进而利用Lyapunov 指数谱、分岔图及相平面图， 研究了该忆阻混沌系统的复杂动力学行为特性。研究结果表明，当系统参数发生变化时， 系统会经反倍周期分岔由混沌态进入周期态； 在不同初始条件下， 系统能产生三种共存吸引子， 分别为双混沌吸引子共存、周期极限环与混沌吸引子共存、双周期极限环共存； 当初始条件变化时， 系统输出四维混沌信号的幅度均发生变化。最后， 对该系统进行了电路设计与仿真， 验证了该忆阻混沌系统的存在性。