量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2024年第6期

• 晶格工程电子态调控研究 (封面文章）

  张丹彤薛冬峰

  晶格工程在材料科学和器件设计领域扮演着关键角色, 通过精确构建晶格有序态、超晶格态、晶格缺陷态等, 能够有效构筑材料的拓扑有序态, 实现宏观尺度晶格架构定制并提升其在光、电、磁等领域的性能。基于晶格的本征周期性形成的拓扑有序态材料, 其特殊的能带结构在电子输运过程中表现出高导电性、较低的能量损耗以及特殊的量子霍尔效应; 基于超晶格的空间组装性和纵向旋转性构筑的摩尔条纹系列材料, 为光电传感器和光子学器件等性能的提升开辟了新途径; 而晶格缺陷能够有效构筑局域电子态、缺陷自旋态等特殊效应, 有利于设计磁性调控和磁存储器件。

• 基于激光吸收光谱的 Cs 原子浓度检测 系统设计研究

  宋泽阳,梁立振,柳山虎,田镇虎,韦江龙,许永建,谢亚红,胡纯栋,

  随着磁约束核聚变研究的深入, 提高负氢离子源的引出电流密度成为负氢离子源的关键问题之一。负氢离子的形成很大程度上依赖于离子源中Cs的循环过程, 通过Cs在负离子源内部的蒸发使负离子源表面功函数降低, 从而提高负离子产率。因此, 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术设计并建立一种新的Cs原子浓度检测系统, 实现微量Cs的快速实时检测, 对负离子密度提升具有重要指导作用。本文围绕光源发生单元、光学传输测试单元、信号处理采集单元、光谱显示与分析单元四个方面进行系统分析与设计, 建立了离线测试系统并开展了系统测试实验, 获得Cs原子浓度与温度的变化趋势图。实验结果表明, 随着蒸气池温度的升高, 系统检测的 Cs 原子浓度呈现出随温度增加而升高的非线性正相关趋势, 表明该系统实现了 Cs 原子浓度的定量检测。

• 密闭空间六氟化硫红外光谱仿真技术研究

  赵跃,马凤翔,王安静,李大成,崔方晓,吴军,李扬裕,董王朝

  针对电力密闭空间六氟化硫气体微量泄漏红外遥测的需求, 以及六氟化硫红外光谱高精度识别算法建模所需的不同场景、不同环境参数下实测数据缺乏的问题, 开展了密闭空间六氟化硫红外光谱仿真技术的研究。一方面,建立了六氟化硫红外辐射传输模型, 从理论上分析背景辐射、大气干扰辐射以及背景温差等因素对获取的六氟化硫红外信号的影响; 另一方面, 为解决部分密闭空间场景背景辐射无现场获取条件或测量条件不理想的问题, 搭建了用于六氟化硫红外辐射模拟传输的实验室检测装置, 通过影响因素可控可调, 实现不同密闭空间背景辐射模拟, 同时为仿真结果提供了验证手段。实验模拟并采集了两种典型密闭空间背景 (水泥墙面、设备金属外壳) 下不同温度的红外光谱, 同时理论仿真了不同六氟化硫浓度下的红外光谱。作为验证, 模拟了密闭空间六氟化硫红外辐射全链路传输过程, 获得实测光谱并与仿真光谱进行了对比。实验结果发现, 亮度温度仿真误差在0.11~0.45 K之间, 初步验证了所提方法的可行性, 为进一步构建与完善密闭空间六氟化硫气体泄漏红外识别算法提供了参考。

• 大口径米量级的激光光束质量测量装置标定方法研究

  朱菲,侯再红,王港雨,秦来安,靖旭,吴德成,

  随着激光的应用越来越广泛, 大口径米量级的激光光束质量测量具有重要的研究价值。为规避大气影响, 对大口径米量级的激光光束质量的测量一般采用波前测量法在激光系统出口处直接测量。而为了实现精确测量, 则需先对大口径米量级的激光光束质量测量系统进行零点标定。本文提出了一种采用小口径的标定光源对大口径测量系统进行扫描标定的方法, 分析了不同扫描方式下由标定光源平行度残余误差引起的光斑质心偏移情况, 并对不同扫描方式下不同标定光源平行度残余误差对系统测量精度的影响进行了仿真分析。根据波前复原结果, 选择了单向扫描方式, 并提出在缩比验证测量系统口径为127 mm时, 标定光源平行度残余误差应不大于5 μrad; 在实际测量系统口径为1.27 m时, 标定光源平行度残余误差应不大于0.5 μrad。

• 探测器阵列靶电路系统的可靠性设计

  袁礼朝,谭逢富,黄志刚,程乙轮,侯再红,

  探测器阵列靶是测量激光强度时空分布的常用设备, 电路系统作为其重要组成部分, 其可靠性是影响探测器阵列靶能否高效稳定运行的关键因素之一。本文首先对电路系统进行了故障模式及影响分析 (FMEA), 获得不同模块对系统整体可靠性的影响。为计算电路系统的可靠度, 引入了每个模块的重要度, 并在对模块重要度进行分析时, 对传统AGREE分配法中的重要度进行了改进。随后根据改进的AGREE分配法, 对可靠度指标进行分配, 对不满足可靠度指标的模块, 采用冗余设计提高它们的可靠度。最终使得电路系统工作5 h的可靠度由0.99931830提高到0.99996730。本研究为探测器阵列靶电路系统的可靠性设计与分配提供了方法与依据。

• 免相位后选择双场量子密钥分发协议 光源错误分析

  陆文皓#,吴梓涵#,马均瑶,余杨,赵生妹

  免相位后选择双场量子密钥分发 (NPP TF-QKD) 协议是双场量子密钥分发 (TF-QKD) 协议的变种, 它继承了TF-QKD在无寄存器情形下超越点到点传输距离极限的优势, 同时还简化了协议中安全性的证明，已被实验证实具有较强的实用可行性。然而, 该协议中假设光源是精准可控的，但是由于设备的缺陷、环境中存在噪声等原因, 这种假设在实际应用中是不成立的。本文在信道非对称的基础上分析了光源强度波动引起的光源错误对 NPP TFQKD协议性能的影响,仿真结果显示, 光源错误会使协议的安全密钥率降低, 并使传输距离缩短。

• 无中心的量子匿名一票否决方案

  徐小桐,石润华,柯唯阳,于辉

  为了去除投票方案中的可信第三方, 引入了一个新的安全多方计算概念, 即安全多方析取。基于局域操作和Bell态的纠缠交换, 本文提出了一个量子安全多方析取协议。进而, 基于该基础协议, 构造了一种新颖的量子匿名一票否决投票方案。该投票方案具有完备的安全属性, 且无第三方参与计票, 所有投票者能够共同计算出投票结果。同时引入区块链进行监督, 使得投票者能够验证在极端情况下的投票内容。投票方案使用Bell态作为量子资源, 仅执行局域单光子Pauli变换和Bell测量操作, 因此在现有量子信息处理技术下易于实现。最后, 在IBM Qiskit平台中对推荐的投票方案进行了仿真实验, 仿真结果验证了方案的正确性和可行性。

• 玻色-爱因斯坦凝聚体腔中完美光力诱导透明

  夏长超,宋利伟

  光力诱导透明和慢光效应一直是量子光学领域的研究热点。本文探究了玻色-爱因斯坦凝聚体腔中出现完美光力诱导透明的必要条件, 并讨论了驱动场频率失谐对完美光力诱导透明谱线的影响。特别地, 发现即使在波戈留波夫模的弛豫速率很大的情况下, 也可以实现完美的光力诱导透明现象, 这正是完美光力诱导透明理论的优点之一。此外, 还讨论了在透明窗口处的慢光效应, 发现腔的耗散速率和波戈留波夫模的弛豫速率均对慢光效应有显著的影响, 特别是在不可分辨边带参数区域, 可实现超慢光效应。这些结果可应用于现代光学网络的建设以及量子信息处理过程。

• 一种基于 CMOS 的小型化量子随机数 产生装置

  王其兵,王林松,王雅琦,李力,许华醒,王少华,

  为满足量子随机数发生器 (QRNG) 的小型化、集成化应用, 设计了一种基于发光二极管 (LED) 光源并结合互补金属氧化物半导体 (CMOS) 探测的量子随机数发生器。量子随机数是以光量子固有特性确保随机数的高安全性, 同时其低成本、高速率的处理方式也具有较高的应用价值。但是传统的基于高速模拟数字转换器 (ADC) 采样的信号处理方法存在成本高、系统复杂、后处理要求高等问题, 并且ADC采样的不完美性还会引入伪随机的特性, 降低系统的随机数特性, 从而限制了其进一步的商业应用与推广。本文提出的量子随机数发生器基于电压比较二值法, 利用像素间探测电压的随机性, 以CMOS像素点探测输出的电压序列前后脉冲间的电压差值作为随机数熵源, 从而获得量子随机数序列。该方法具备简单、可靠、易实现的优点, 更利于产品的产业推广。

• 时频域结合的量子通信时间同步方法

  沈威,刘尉悦

  时间同步对于星地量子密钥分发至关重要。以往的方案中为了在噪声干扰较大、信号丢失严重的星地链路中完成量子光同步, 需要全球定位系统 (GPS) 信号辅助同步光来完成。为了降低系统的复杂性和成本, 本文提出了一种时域与频域相结合的时间同步方法。该方法利用量子光序列的频谱特性以及线性拟合方法, 实现了高精度的时间同步。对于星地量子密钥分发的实验数据进行测试, 可以实现1.03 ns的同步精度, 直方图半高宽为1.4 ns。该方法不需要使用GPS以及同步光, 可以广泛地应用于星地量子密钥分发。

• 基于量子行走的量子指定验证者签名方案

  娄小平,范洲,戈启越

  鉴于现有的量子指定验证者签名方案需要提前制备纠缠资源, 存在被攻击的风险, 本工作基于量子行走原理设计了一种新的量子指定验证者签名方案。新协议应用完全图上的两个硬币量子行走系统, 实现了量子密钥生成和签名信息的传输。在信任中心的帮助下, 新方案无需共享预密钥和纠缠态, 签名者和指定验证者共享量子行走生成的密钥。在签名阶段中, 签名者使用密钥对消息做受控酉运算进行加密, 生成的签名通过隐形传态发送给指定验证者进行验证, 保证了消息的完整性和来源的正确性。进一步通过示例的理论推导和IBM量子云平台上的模拟实验,验证了方案的正确性。最终的安全性分析表明, 此方案满足指定验证性、不可伪造性、不可传递性和签名隐匿性, 且在纠缠攻击和截获重发攻击下也是安全的。

• 基于一维圆上量子行走的图片加密

  刘文经,刘骏,曹原,王棚栎,张融

  随着第五代 (5G) 移动通信技术的发展, 图片在互联网、医学诊断、卫星观测等关键领域有着大量应用, 图片信息的安全正变得越来越重要。为此提出基于一维圆上量子行走的新型图片加密方案, 该方案有效利用圆上量子行走生成加密所需的异或数据和替换盒, 同时通过生成的控制矩阵来控制图像分块之后的图片加密过程。测试结果表明该加密方案有着良好的加密性能, 加密图片直方图趋于均匀分布, 像素相关性趋近于0, 密钥空间达到2212, 信息熵达到7.99, 可以有效抵挡穷举暴力攻击、统计攻击等攻击方式，在敏感度、抗噪声方面也表现出良好的性能。

• 含石墨烯的多层核壳结构自发辐射性质研究

  施沈希,王佐宏,孙梦然,郑改革,

  为了研究含石墨烯的核壳结构的光散射特性, 特别是电场分布、能量密度以及辐射/非辐射衰减率等, 采用传输矩阵法计算了入射光波长和偶极子发射器位置对Au@SiO2@Graphene自发辐射的影响。当内核尺寸和壳层厚度不变时, 随着中间介质层SiO2厚度的增加, 该核壳结构近场区的Purcell因子增大; 核壳结构中Purcell因子随偶极子发射器与球体中心间距的增加而减小, 实现了对自发辐射的调控; 通过优化石墨烯核壳的结构参数, 实现了在可见光范围内, Purcell因子的最大值出现在约633 nm处; 在介质层厚度固定时, 增加模型的半径会导致Purcell因子的减小; 改变模型尺寸参数, 可以有效强化含石墨烯的核壳结构与光波之间的相互作用。本研究可为太阳能光热领域提供参考。