量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2024年第4期

• 可逆电路综合与优化的若干研究进展

  吴限,冯世光,李绿周

  量子计算是一种新型计算模式, 遵循量子力学规律对信息进行处理, 其应用涵盖密码学、组合优化和量子模拟等多个领域。量子计算强大算力的发挥有赖于量子算法, 而量子算法的运行首先需要编译为量子电路。可逆电路是一类重要的量子电路, 可逆电路的综合与优化是量子编译的主要研究内容之一。本文对可逆电路综合与优化中的一些重要工作进行总结, 首先介绍线性可逆电路的综合与优化, 对CNOT门数量与电路深度两个方面优化的结果进行讨论；然后介绍一般性可逆电路的规模和深度优化, 对当前算法所能达到的上下界情况进行了分析总结；最后对可逆电路综合与优化的相关延伸拓展进行探讨。

• 基于柱面聚焦透镜的激光诱导击穿光谱特性研究

  符小清,王静鸽,代博,梁方圆,刘佳鑫

  由于高斯脉冲激光束强度分布不均匀, 导致传统激光诱导击穿光谱 (LIBS) 系统光谱信号稳定性差, 且对微量元素检测灵敏度较低。为了提高LIBS技术的分析性能, 本研究采用球面透镜和柱面透镜相结合的方法对激光束进行聚焦, 激发合金钢样品产生等离子体。研究结果表明通过在实验系统中加入柱面聚焦透镜形成了更均匀的烧蚀坑形貌, 一定程度上规避了传统系统中高斯光束激发所形成的“尖锥形”烧蚀坑对光谱信号的不利影响, 获得了更加稳定的等离子体辐射光谱, 特征谱线强度和背景强度信号稳定性分别提高了24.7%~36.67%和43.75%~57.7%, 等离子体温度和电子密度的稳定性提高了~10%。进一步采用内标法对合金钢中的Mn、Cr、Ni三种微量元素进行了定量分析, 结果表明采用柱面透镜聚焦提高了元素的检测灵敏度, 元素的检出限 (LOD) 降低了1.15~3.01倍。

• 锌的激光诱导击穿光谱与等离子体温度研究

  张兴龙,张启航,刘玉柱,

  金属锌的探测工作对于诸多领域有着重要意义。本研究采用激光诱导击穿光谱技术对锌进行了检测分析,标记出锌在200~895 nm波段内的31条特征谱线。并且在不同激光能量下进行了多次探测, 发现激光能量对于锌谱线的相对强度影响显著。同时计算了不同激光能量下的等离子体温度, 发现等离子体温度随着激光能量的增加而逐渐升高。此外, 研究了离子线与原子线强度比和等离子体温度的关系, 结果表明, 锌的离子线与原子线强度比和等离子体温度之间呈正相关趋势。

• 适用于扩展光源且具有阵列编辑性的透镜组设计

  屈忠瑞,张志清,胡正发,许毅钦,朱峻锋,陈博谦,邢景超

  利用自由曲面设计并结合斯涅耳定律以及能量守恒定律, 设计出一款能实现大面积均匀光斑的透镜组。该透镜组由一块次透镜和一块主透镜组成, 其中次透镜对LED发光角进行收缩来减小透镜组结构, 而主透镜对能量进行调控来实现均匀度调节。通过蒙特卡洛光线追迹模拟仿真, 单个透镜组在接收面呈现方形均匀光斑, 有效辐射通量比达到95.5%, 均匀度达到95.7%, 表明该透镜组具有良好的有效辐射通量比和均匀度; 而透镜组阵列在接收面同样呈现方形均匀光斑, 有效光通量比和均匀度均大于95%, 表明透镜组阵列能够耦合多颗LED面阵列扩展光源, 实现更高光功率的均匀光斑, 可以用于基于荧光反向测量装置中大功率光源等应用场景。

• 超广角透射式日盲紫外光学系统设计

  曹一青,姚咏儿,沈志娟,吕丽军

  为了扩大日盲紫外光学系统在高压电晕放电检测、战术导弹告警等领域中的检测视场角范围，基于反远距结构型式，在近轴光学镜头前添加2块负弯月型透镜，使得该光学系统的全视场角达到100°；然后，给出了一种应用高斯光学和三阶像差理论来确定近轴光学镜头中3块透镜的一阶光学参数的方法，再应用光学设计软件设计了一款超广角透射式日盲紫外光学系统。该光学系统工作波段为240~280 nm，F数为4，焦距为1.0mm；系统中5块透镜均采用熔石英光学材料、无非球面，大大降低了系统复杂化程度和加工制造成本。另外，设计得到的超广角透射式日盲紫外光学系统在奈奎斯特频率20lp/mm时，全视场角的调制传递函数值均高于0.42，相对照度大于97.9%且能量损失小，成像质量很好，具有较好的实际应用前景；它能为该类光学系统初始结构参数确定及设计提供了一种有效的指导方法。

• 基于相位调制的非互易反射光放大动力学调控

  裴笑山,李观荣,张焓笑,杨红

  基于光学非互易性的新型光子器件是信息处理的关键, 由于信息在传递的过程中很容易减弱, 因此如何放大光信号是该领域的研究热点之一。本文提出一种简单的方案实现了非互易光放大。该方案首先利用一个强耦合场和一个微波场控制一个弱探测场构成三能级 V 模型相干增益原子系统, 使探测光信号在透明窗口处能够被放大;再通过控制耦合场强度随位置变化破坏极化率空间对称性, 使得探测光从介质两侧入射的反射率不再互易, 进而得到放大的非互易反射; 最后, 通过调制激光场之间相对相位来探究其非互易反射带放大的范围。数值结果显示, 相对相位Φ = 0, π 和 3π/2 时，只有一个非互易频率域的反射带被放大; 而当 Φ = π/2 时, 出现两个频率域内放大的非互易反射带, 放大范围为1.25~2.75倍。可见, 该系统能够实现非互易反射光放大的动力学调控。

• 基于动态前瞻深度的量子线路映射研究

  曹可欣,陈新宇,朱明强,李响,程学云,管致锦

  随着量子计算技术的快速发展, 现在已经进入了噪声中型量子 (NISQ) 时代。但受限于当前的技术, 目前一个量子位只能与相邻的量子位直接交互。为了使量子线路能直接在 NISQ 设备上执行, 需要在逻辑线路中插入SWAP门或使用桥门来近邻化量子位。为了减少量子线路映射中插入额外量子门的数量, 本文研究了基于动态前瞻的线路映射方法, 考虑了在拓展层中插入交换门的影响，优化了代价函数模型。通过模拟退火算法来确定插入交换门时的最佳前瞻深度, 以减少插入交换门的数量, 进而减少CNOT门的数量。实验结果表明, 与现有映射方法相比,本文提出的算法减少了插入的CNOT门数, 平均优化率达到45.59%。

• 488 nm 泵浦的自发参量下转换特性研究

  尹琳,李健军,郑小兵

  自发参量下转换的光谱、光子数率和时间相关性对宽波段光电探测器定标具有重要意义。本文理论模拟了488 nm连续激光泵浦偏硼酸钡 (BBO) 晶体的光谱和光子数率的分布, 搭建了光谱、光子数率和时间相关性测量的实验系统。基于理论研究, BBO晶体的相位匹配角选择24.3184°, 可实现605~2523 nm连续宽波段相关光子制备, 光子数率最大值为4.2716 × 107 s-1。采用CMOS相机和光电倍增管测量相关光子圆环和光子数率, 根据波长和探测器响应波段来选择相应的光电探测器, 以测量时间相关性。实验测量得到605~1000 nm波段的相关光子光谱, 光子数率的实测值与理论值偏差在1个量级内, 并观察到710~1560 nm波段的符合峰。实验结果验证了所建立的理论模型的正确性、自发参量下转换过程的宽光谱特性和时间相关性, 为实现可见-近红外波段的宽光谱相关光子定标提供了研究基础。

• 面向 TDI 技术地面验证的激光干涉仪本底噪声分析

  左凌云,师浩森,姚远,蒋燕义,马龙生

  在空间引力波探测中, 由于星间激光干涉臂不等, 导致激光频率噪声不能共模消除, 从而使微弱的引力波信号被激光频率噪声淹没。时间延迟干涉 (TDI) 技术通过将激光相位数据在时间上延迟, 构成虚拟等臂干涉, 从而能减小激光频率噪声对引力波信号探测的影响。为了在地面验证TDI技术能够将激光频率噪声对引力波探测的影响降低至3 × 10-7 Hz/ Hz (傅里叶频率1 mHz处), 需要分析TDI地面验证系统本底噪声的主要来源。通过实验测量和计算分析, 提出了面向TDI技术地面验证的激光干涉仪的重要参数设计要求, 包括激光干涉臂的臂长差、激光频率稳定度、气压稳定度、激光功率稳定度以及各部件温度稳定度等。

• 基于高光谱激光雷达的多视角木叶三维重建研究

  曹铮,邵慧,孙龙,胡玉霞,陈杰,徐恒,陈冲,

  : 高光谱激光雷达 (HSL) 能实现空间-光谱信息的同步采集, 为树木的木叶三维重建提供了可能。利用自研的HSL系统获取不同视角的树木点云数据, 进行了多视角下的木叶分离，并根据分离结果完成了的木叶三维重建。针对传统最近邻迭代 (ICP) 算法严格的点云初始条件需求, 提出了改进的点云配准方法。首先, 采用快速点特征直方图 (FPFH) 描述点云的局部特征, 然后基于随机抽样一致性 (RANSAC) 算法实现不同视角点云的粗配准, 最后利用ICP算法实现精配准。在选出特征通道的基础上, 利用随机森林 (RF) 和支持向量机 (SVM) 完成木叶分离, 最终完成木叶三维重建。实验表明, 在15°和30°的视角差下, 提出的改进点云配准方法均达到较好的配准精度, 同时基于特征通道选择的RF方法木叶分离准确度分别达到98.17%和98.87%。

• 纤锌矿结构砷化镓纳米线中的深能级缺陷研究

  乔旭冕,李新化,谷毛毛,龚书磊,弓紫燕,吴超可,吴超,赵雷鸣

  深能级缺陷是造成纤锌矿结构砷化镓纳米线中持续光电导效应的主要原因。采用基于高斯分布的缺陷复合动力学方程分析了纤锌矿结构砷化镓纳米线的光电导衰减曲线, 得到平均载流子捕获势垒为60.2 meV。通过分析光照下光电导瞬态行为, 提出了基于缺陷光电离模型来提取特定缺陷能级水平特征的方法。通过拟合纤锌矿结构砷化镓纳米线的光离化谱, 得到了0.69 eV的光电离能。光离化能和热捕获能之间的较大能量差异意味着缺陷与晶格有强耦合作用, 这与闪锌矿结构砷化镓中EL2中心的行为相似。

• 基于三次样条插值的 M-QAM 载波相位估计

  陈睿,李传起,周省邦,陈东,陆叶,刘志强,曾倩,崔冰琪

  在基于高阶调制的相干光通信传输系统中, 接收端信号受相位噪声干扰会对系统性能产生直接的影响。传统的盲相位搜索 (BPS) 算法具有较高的线宽容差, 适用于多种调制格式, 但随着调制阶数的增加, 用于BPS的测试相位数量会急剧加大。针对M元正交振幅调制 (M-QAM) 格式, 本研究提出了一种新的低复杂度载波相位估计 (CPE)算法。首先利用BPS算法, 得到 B 个测试相位和平均欧氏距离之间的关系; 然后在此基础上, 提出了一种基于三次样条插值 (CSI) 的两级BPS载波相位估计算法, 得到 (2B−1) 个等间隔插值相位和平均欧氏距离之间的光滑曲线关系; 最后取曲线的最小值处所对应的相位值为最优相位估计值。仿真结果表明, 在使用少量测试相位的前提下, 通过CSI算法可以有效地对载波相位进行恢复, 与BPS算法相比, CSI算法乘、加法器计算复杂度分别降低了38%和42% (16-QAM), 为载波相位恢复提供了新思路。

• 非均匀应变下 FBG 光谱传感特性实验研究

  刘洪金,杨爽,钱梦雪,彭云涛,张洋,孙苗,汤玉泉,张志荣,

  通过激光切割技术, 加工带有通孔的悬臂梁结构来构建非均匀应变分布, 从而研究光纤布拉格光栅 (FBG)在非均匀应变分布下的光谱传感特性。首先仿真分析了悬臂梁表面应变分布情况, 随后分别选取均匀FBG (UFBG)和切趾FBG (AFBG) 敷设在通过开设通孔构建出的悬臂梁表面非均匀应变分布区域, 开展了FBG传感特性实验研究。实验结果表明, 随着悬臂梁自由端位移逐渐增加, 两种FBG的中心波长和带宽逐渐增大, 峰值功率和边模抑制比逐渐降低, 但仅中心波长与位移变化具有良好的线性度, 位移灵敏度分别为0.1298 nm/mm和0.1582 nm/mm。相对而言, UFBG的反射光谱对非均匀应变分布的变化更为敏感, 这对光谱形状传感是有益的。AFBG则表现出一定的抑制或免疫作用, 这对中心波长传感是有益的。最后, 为了提高灵敏度和实现温度补偿, 选取双FBG传感法进行位移测量, 测量结果表明双UFBG光谱带宽随位移变化的灵敏度可达0.2826 nm/mm, 双AFBG中心波长差随位移变化的灵敏度可达0.3142 nm/mm。