量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2024年第2期

• 金属微纳结构操控单光子发射体辐射

  吴广坤#,丁华峰#,陈建军

  固态单光子发射体结合了原子优异的光学性质 (如高可靠性、高效率等) 和固态系统的便利性与可扩展性,在可扩展光量子信息技术中扮演着重要角色。然而, 真空中固态单光子发射体所发出的单光子具有自发辐射速率低、 各向同性发射、 发射光的偏振状态随机等不足, 这极大地限制了其应用。金属微纳结构支持的表面等离激元具有巨大的场增强和亚波长的场束缚效应, 因此国内外研究者设计了各种各样的金属微纳结构来操控单光子发射体的辐射。本研究综述了金属微纳结构在单光子发射体自发辐射增强、 准直辐射、 辐射偏振操控等方面的研究进展, 重点比较了性能指标并分析了操控机制。最后, 对金属微纳结构操控单光子发射体辐射的挑战和发展进行了展望。

• 氟化物磁光晶体的研究进展与应用

  吴振,张中晗,张振,周声耀,苏良碧,武安华,

  光通信技术发展迅速， 激光平均功率不断提高， 磁光隔离器是保证激光单向传输、维持光学系统稳定高效工作的基础， 而磁光介质作为磁光隔离器的核心部件也因此得以快速发展。首先简要介绍了几种磁光材料以及当前广泛应用的石榴石磁光晶体的缺点、法拉第效应的原理和应用， 随后系统分析了作为新一代磁光晶体的各类氟化物磁光晶体的优缺点， 最后展望了CeF3磁光晶体潜在的应用前景以及未来氟化物磁光晶体的发展趋势。

• 光丝诱导大气等离子体化学反应生成的一氧化氮测量

  张梦,汪露萍,黄倩,邱选兵,李传亮,邓伦华

  大气等离子体会诱导化学反应, 一氧化氮 (NO) 是大气化学反应的主要产物之一, 对其大气浓度的准确测量有助于揭示其大气化学反应机理并优化大气等离子体应用。在静态密闭反应池中, 利用脉冲宽度35 fs、工作波长800 nm 的脉冲激光生成光丝等离子体并诱导大气化学反应, 进而采用中红外激光吸收光谱技术, 实时测量了NO 浓度随空气气压、反应时间的变化。在不同气压下, NO 浓度随反应时间的增加而增加直至保持稳定, 但NO 达到稳定浓度所需要的反应时间随空气气压增加而延长。受到三体复合反应的影响, NO 的累积体积比浓度从低气压时的400 × 10-6以上减小到常压时(一个大气压)的120 × 10-6左右。

• 电子激发高空大气辐射模拟装置的研制及初步应用

  何睿祺,刘向农,温作赢,顾学军,张为俊,戴聪明,李建玉,唐小锋

  地球大气组分与高能电子之间的电荷交换和能量传递在极光和气辉等高空大气发光现象中扮演着重要角色。通过搭建基于真空系统的电子激发高空大气辐射地面模拟装置, 验证了高能电子对高空中性大气的电离激发及其辐射跃迁机制。该装置可实现从102 Pa 过渡到10-3 Pa 超过5 个量级的真空梯度、 102～103 eV 能量范围内的电子加速聚焦以及近紫外-可见光-近红外波段的宽光谱测量。将该模拟装置初步应用于N2和O2的电子激发实验, 比较了大气中两种主要成分的谱线分布特征, 发现激发光谱强度与电子能量成正相关, 且在相同条件下N2的激发光谱强度远大于O2。利用单组分气体的已知光谱带系标定了实际大气的电子激发光谱, 结果表明实际大气与纯N2的激发光谱分布趋于一致但强度有所下降。初步测试与应用表明该装置可用于模拟高能电子沉降过程中与中高层大气组分的碰撞激发反应。

• 傅里叶变换红外光谱自适应数字滤波算法研究

  孟伍德童晶晶高闽光李相贤李妍韩昕刘文清

  针对傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪在不同类型环境噪声下导致的仪器性能下降的问题, 提出了一种根据不同环境噪声实时更新滤波参数的自适应滤波算法。对该算法的基本原理和实现过程进行了理论推导, 分析了不同滤波参数设置下的滤波效果, 进而利用设计的滤波算法对实测光谱数据进行了滤波处理, 对比分析了不同滤波方法下的光谱信噪比 (SNR)。研究结果表明: 基于巴特沃斯滤波的自适应FTIR 光谱滤波方法在2100～2200 cm-1和2500～2600 cm-1波段的SNR 较传统硬件滤波分别提高了1.29 倍和1.13 倍, 表明该算法可以有效提升FTIR 光谱信噪比, 改善FTIR 仪器的性能指标。

• 基于移动平台的便携式FTIR灾害现场气体检测技术

  黄民德,徐亮,徐寒扬,沈先春,邓亚颂,孙永丰

  傅里叶红外光谱技术（ FTIR） 的引入极大地提升了气体的检测速度和准确性。然而在石油化工泄露和爆炸、森林火灾等突发危险现场， 存在着人力无法现场检测的情况。为了应对这种场景， 开发了基于移动平台的便携式FTIR 灾害现场气体检测方法。通过将云服务器和树莓派的优势相结合实现远程操作移动平台， 将搭载便携式FTIR 光谱仪的移动平台远程操作驶入现场， 并及时通过4G/5G 模块传回现场位置数据、视频数据和光谱气体浓度数据。最后， 在野外基地利用该平台进行了实测， 对CO2、CO、SO2、C6H6等多种污染气体进行了检测， 结果验证了该系统在野外工况下的可靠性。本工作为FTIR 光谱仪或其他光谱类检测系统在移动平台上的集成应用提供了思路和解决方案。

• 高光谱紫外辐照度仪CCD电路系统的设计及测试

  关怡然,李新,张权,张艳娜

  为了在地面获得高信噪比的太阳直射紫外光谱辐照度， 选用紫外敏感型线阵CCD 探测器， 研发了高光谱紫外辐照度仪原理样机。设计了CCD 电路系统， 讨论了电源电路、驱动电路、模拟前端电路以及CCD 驱动时序的工作原理与设计方法， 并在实验室利用标准灯光源测试了CCD 电路系统的非线性和信噪比。结果表明， 在340 nm 波段下， CCD 探测器接收信号约为饱和信号的80% 时， 系统信噪比超过400。最终， 将测试好的CCD 电路系统与光机模块装调并进行了波长定标， 光谱范围覆盖280~400 nm， 实现了对室内光源的紫外高光谱测量， 验证了CCD 电路系统设计的合理性和可行性。

• 照明系统中配光元件反射-吸收损耗的计算

  康学亮,车昕叡,雪瑞,王丽,张白,韦先涛

  在照明光学设计中， 光通量利用率是配光元件的一个重要评价指标。基于菲涅尔公式， 建立了配光元件反射-吸收损耗的理论模型， 并探讨了其适用范围。利用该模型分别计算了自由曲面平凸透镜和全内反射透镜的反射-吸收损耗， 并与软件仿真和实验实测的光通量损耗数值进行了对比。研究发现， 该理论模型的计算数值与光学软件的仿真结果高度相符， 点光源60°平凸准直配光透镜和全内反射透镜的透射率绝对误差分别为0.7% 和0.14%， 考虑装配误差影响之后， 此数值与实验测量结果也基本匹配。利用本研究所建的反射-吸收损耗模型， 在照明光学设计中， 无需进行软件仿真和实验测试， 即能快速而精确地预测出各类配光元件在各个光学表面上的反射损耗和材料吸收损耗， 为配光元件的性能评价、结构选择和优化定型提供参考依据。

• 基于掺铒氟化物光纤的2.8 μm可调谐激光输出

  佟亮,黄海波,文宇轩,陈颂元,陶俊哲,叶珊珊,郑子其,王洋洋,黄松,高伟清

  采用高浓度掺杂的掺铒氟化物光纤可以增强铒离子的能量转移上转换过程, 从而产生2.8 μm 波段的中红外激光。铒离子的全波段发射光谱范围覆盖0.5~3.0 μm, 其发射波长与相应能级之间的跃迁相吻合。对铒离子全波段的激光输出开展了实验研究。由于氟化物掺铒光纤的高掺杂浓度, 2.8 μm 激光占据主导地位。当泵浦功率为2~4 W时, 激光输出在2714~2784 nm 范围内可调谐, 这是由增益竞争和腔内选择性以及非均匀加宽效应造成的。当泵浦功率增加到3 W 以上时, 可以观察到激光的谱分裂现象。实验获得了2.8 μm 波段的高稳定中红外激光, 最大输出功率为0.7 W, 斜率效率为12%。

• 深紫外飞秒脉冲准分子激光放大同步特性研究

  范军,杨礼昭,游利兵,戎丹丹,王宏伟,寸超,方晓东,

  为了获得大能量的深紫外超短脉冲, 将深紫外飞秒种子光通过ArF 准分子放大器进行放大。通过对种子光信号和准分子放大器的荧光信号进行测量, 在不同环境下, 针对种子光信号与放大器放电信号之间的延时对脉冲单程放大特性的影响进行了研究。研究结果表明, 放大系统实现了种子光与准分子放大器的低抖动精确同步, 空气和氮气环境下脉冲能量最高分别为197.2 μJ 和312.6 μJ, 且氮气环境下脉冲展宽较空气平均降低99.2 fs。相较于空气环境, 氮气环境可有效降低深紫外超短脉冲的能量衰减与脉冲展宽, 且同步抖动对放大特性影响较小。

• 用于太阳光泵浦光纤激光聚光系统的改进型复合抛物面聚光器的设计

  张墨,王子荣,王书新,张星祥

  为研制适用于太阳光泵浦光纤激光器的聚光系统, 在分析了传统复合抛物面聚光器(CPC)用于耦合光纤的可行性及其缺陷的基础上, 提出了一种改进型CPC 用于光纤耦合。完成了由主级抛物面反射镜和次级改进型CPC 组成的太阳光泵浦多级聚光方案, 并与普通CPC 和透镜组构成次级聚光器的方案以及无次级聚光器的方案进行了对比。光线追迹仿真模拟结果表明: 改进型CPC 能够克服普通CPC 出射光线发散的缺陷, 从而提高与光纤的耦合效率, 当主镜接收角度在±0.55°范围内, 其耦合效率维持在93.53%-96.43%, 该结果优于其他方案。

• 探测器阵列高精度二维标定平台控制系统设计

  于龙昆,李智祥,温小辉,刘辉,谭逢富

  为了实现快速、高精度探测器阵列标定, 对探测器阵列高精度二维标定平台控制系统进行了研究, 设计了采用单片机控制步进电机加编码器的闭环位移控制系统。介绍了该平台的标定原理和硬、软件控制系统设计, 并对控制PID 算法进行了研究, 最后搭建了标定系统对控制系统进行综合测试。实验结果表明该控制系统有良好的控制能力, 平台在600 mm× 600 mm 的有效行程内定位精度可达 −11～12 μm, 十次单点测试数据变异系数为 0.13%, 连续模式下平均测量误差为1.65%。该平台设计满足探测器阵列的标定要求, 为探测器阵列标定提供了一种有效手段。

• 机械介导的声子-光子非互易量子界面

  王曦,杨双良,冷斯云,黄文涛,周原

  基于传统的腔光力与表面声学谐振腔构建了耦合体系， 并利用该模型研究了非互易的声子-光子相干量子界面物理机制。研究表明， 该体系实现非互易的量子信息交互的本质原因是干涉效应， 且机械振子与辅助光学腔之间的耦合强度及其相位在非互易信息调控方面发挥最关键的作用。

• 一种分布式量子计算中传输代价的优化方法

  陈新宇,曹可欣,朱明强,程学云,冯世光,管致锦

  分布式量子计算是解决现有量子计算设备还不足以支持大规模量子计算问题的有效途径, 分布式子系统之间通过隐形传态建立通信链路来传输量子位, 隐形传态的次数决定了分布式量子计算的传输代价。为了减少分布式子系统间的隐形传态次数, 提出了一种跨门合并传输模型, 该模型允许多个不连续的门通过一次隐形传态完成传输。基于该传输模型, 对分布式量子计算的隐形传态次数进行优化。在不考虑分布式子系统量子位数时, 与现有的研究结果相比隐形传态次数平均减少57.3%; 在分布式子系统量子位数受限的情况下使用该模型, 在消耗更少量子位的同时, 隐形传态次数平均减少14.6%, 针对较大规模的量子线路, 优化率达58.8%。

• 一种基于验证的量子私有集合计算协议

  刘文杰,杨奇,李文博,李子贤

  私有集合计算是安全多方计算的重要组成部分， 可以在不暴露合法参与者私有信息的情况下解决参与者之间的某些集合计算问题(如交集、并集)。然而现有的量子私有集合计算协议基本上没有考虑验证性， 参与者无法确定计算结果是否正确。针对此问题， 提出了一种基于验证的量子私有集合计算协议。此外， 该协议还能够可选择地求解私有交集或并集问题。性能分析中通过实例证明了该协议的正确性与可验证性， 并通过外部攻击和参与者攻击证明了协议的安全性。

• N 个接收方的同时密集编码协议

  程登翔,杨振,谢佳欣,柏明强,莫智文,

  针对当前同时密集编码中接收方数量受限问题, 通过引入n 比特量子傅里叶变换, 提出了具有多个接收方的非受控和受控同时密集编码协议。在非受控多方同时密集编码协议中，发送方在待传粒子上执行编码以及加锁操作, 接收方只有联合执行解锁操作, 才能同时获得最终的编码信息; 在受控多方同时密集编码协议中, 只有全体接收者在控制者的允许下通过协作才能完成信息的传输。通过对内部和外部攻击进行了分析, 证实了同时密集编码协议的安全性。此外, 所提出的方案中只使用Bell 基测量, 在实验条件下容易实现。

• 基于复合纳米振子系统的光学质量传感

  朱鹏杰,陈华俊

  提出了一种基于金刚石氮-空位(NV)色心-悬臂梁复合纳米机械振子系统, 该系统将金刚石NV 色心镶嵌在悬臂梁底部, 再通过悬臂梁振动形变产生的应力与金刚石NV 色心中的自旋电子相互作用实现耦合； 进而利用光学泵浦-探测技术研究了该系统的相干光学特性。首先, 基于该复合系统的探测吸收谱, 提出了一种测量纳米机械振子频率的全光学方案, 在红边带的条件下, 可通过观测吸收谱中两尖峰的分裂宽度从而确定自旋与纳米机械振子的耦合强度。其次, 由于金刚石NV 中心电子自旋具有较长的相干时间, 因此进一步基于该复合系统提出了一种室温下全光学质量传感方案。

• 基于SVM的量子线路输出校准方法研究

  李响,姜一博,曹可欣,朱明强,程学云,朱鹏程,管致锦

  当前噪声中尺度量子 (NISQ) 计算机由于受到各种噪声的影响， 量子线路运行结果和理想结果之间存在误差， 因此需要对量子线路的运行结果进行校准。基于量子线路可逆性的特点， 收集正反向线路运行数据中的状态误差作为主要噪声特征， 提出了基于支持向量机 (SVM) 集成策略的输出校准方法。通过支持向量机-递归特征消除（SVM-RFE） 方法对噪声特征进行排序， 去除过拟合的特征， 从而得到更优的量子线路输出校准结果。实验结果表明， 与基于优化映射的方法相比， 所提基于SVM 的方法使量子线路输出结果更接近于理想结果， 与基于决策树集成分类模型（Qraft）相比, 当CNOT 量子线路的门数为60 时， 改善率达到43.94%。

• 量子近似优化算法在数字分区问题中的应用

  杨辉,李志强,潘文杰,杨冬晗,吴希

  量子近似优化算法（ QAOA） 是一种近似求解组合优化问题的方法， 它通过反复调整电路参数， 以获取问题哈密顿量的最大期望值为目的来解决问题， 在组合优化问题领域具有广阔的应用前景。将QAOA 应用于数字分区问题（ 二分区问题）， 通过将问题函数转换成对应的哈密顿量， 构造了量子线路， 采用线性近似约束优化（COBYLA） 方法对电路参数进行了优化， 并使用IBMQ 模拟平台进行了模拟实验。研究发现量子近似优化算法在数字分区问题中有着良好的性能表现， 可在多项式时间内给出问题的解， 并且降低了问题的时间复杂度。

• 掺WO3对碲酸盐玻璃热稳定性改善和Er3+/Yb3+ 掺杂碲钨酸盐玻璃光谱性能的研究

  陈安民,马飞云,崔令江,张鹏,王传杰,

  为得到热稳定性能良好且高强度发光的碲酸盐玻璃， 通过在TeO2-ZnO-Na2O 系统中掺入WO3， 以提高玻璃的抗析晶和热稳定性能。研究结果表明， 碲酸盐玻璃的ΔT 从不掺WO3的110 ℃增加到了WO3含量为20 mol%时的142 ℃。在热稳定性研究的基础上， 进一步分别研究了单掺Er3+和Er3+/Yb3+共掺的碲钨酸盐玻璃的光谱性质。研究结果表明， 在Er3+/Yb3+共掺条件下， Er3+/Yb3+之间的能量传递提高了Er3+离子对980 nm 泵浦光的吸收效率， 增强了1.5 μm 波段发光强度， 最终得到了具有高强度1.5 μm 波段发光的Er3+/Yb3+共掺碲钨酸盐玻璃， 初步证明共掺方式是实现1.5 μm 波段高强度发光的有效方法。

• Ge/SiGe非对称耦合量子阱强度调制特性仿真

  江佩璘,张意,黄强,石浩天,黄楚坤,余林峰,孙军强,余长亮

  硅基光子学已被广泛认为是能实现片上光电子集成的有效平台, 然而迄今为止, 对硅基光源、探测器以及调制器等硅基有源器件的研究仍然具有一定的挑战性。为此, 提出并仿真分析了一种可以用于实现硅基强度调制的Ge/SiGe 非对称耦合量子阱结构。首先, 利用8 带k·p 理论模型对耦合量子阱的能带结构和电子波函数进行了仿真计算; 然后, 详细分析了外加电场强度在0 kV/cm 至60 kV/cm 范围内, 非对称耦合量子阱对TE 和TM 偏振模式的传输光的光吸收谱随外加电场强度的变化。仿真结果表明, 对于TE 偏振模式的传输光, 在无外加电场强度条件下, 非对称耦合量子阱的第一个吸收带边约在1449 nm 处; 而在30 kV/cm 外加电场下, 该量子阱的吸收带边相比于无外加电场情况向长波方向移动约22 nm, 比相同外加电压下的普通量子阱显著。本工作所提出的Ge/SiGe 非对称耦合量子阱结构是一种有望实现更低工作电压、更高速和更低损耗硅基强度调制器的结构。