量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2025年第1期

• 太赫兹量子通信 (特邀, 封面文章）

  郭海琳,孙东云,刘昊鑫,张翠玲,杨哲,张存林,

  量子通信是利用量子态进行信息传递的新型通信方式, 主要包括量子密钥分发和量子安全直接通信等研究领域。由于其通信方式基于量子力学特性, 量子通信理论上可实现无法被窃听且无法被计算破解的绝对安全通信。太赫兹波段因其高频率、大带宽特性已成为第六代 (6G) 无线通信的首选频段, 因此太赫兹通信与量子通信的结合有望在6G时代的安全通信中发挥重要作用。本文首次全面综述了太赫兹量子通信的发展现状, 重点梳理和总结了太赫兹量子密钥分发在地面大气环境以及星链间的研究进展。

• 甲胺铅碘钙钛矿的本征载流子动力学

  程大兵,王佳诚,曾文,喻远琴,任泽峰

  以纳秒脉冲二极管激光作为泵浦源, 研制了一款高灵敏瞬态吸收光谱仪, 该光谱仪利用平衡探测器的原理, 宏脉冲和子脉冲的时序结构, 并结合电子学延时方式, 避免了频繁的平衡操作, 从而实现了高灵敏度瞬态吸收(∆A<5 × 10-6 ) 的快速测量。利用该光谱仪测量了甲铵铅碘 (MAPbI3) 钙钛矿薄膜材料在不同泵浦功率密度下的载流子动力学, 发现了泵浦功率密度依赖的动力学现象, 并且实现了在低载流子浓度下线性响应区的载流子动力学测量。进一步测量和比较了MAPbI3钙钛矿薄膜在296 K和220 K下的载流子动力学, 发现低温能延长载流子寿命, 原因是在低温下, 电离化的杂质辅助电荷复合速率减小。本研究提出的高灵敏瞬态吸收方法可以拓展到全纳秒脉冲二极管激光系统, 这不仅会降低瞬态吸收光谱仪的成本, 同时在快速评估材料在太阳光照低载流子浓度下的本征性能方面也有潜在的应用。

• 煤炭地下气化产物甲烷高温高压光谱测量技术研究

  王旭东,姜黎明,梅教旭,王瑞峰,古明思,陈家金,谈图,王贵师,刘锟,高晓明,

  煤炭地下气化是实现煤炭清洁高效利用的一种重要途径。针对煤炭地下气化产物甲烷在高温高压环境下的检测难题, 提出了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术的高温高压甲烷宽谱测量及气体参数反演方法。首先, 基于宽波长可调谐半导体激光器, 建立了一套高温高压甲烷吸收宽谱测量系统; 然后, 利用该系统测量了2.05%的标准浓度甲烷气体在温度为200 oC和400 oC、压力为0.5 × 106~3.0 × 106 Pa条件下的吸收光谱, 光谱测量范围为6010~6190 cm−1; 最后, 基于吸收光谱, 利用最小二乘拟合算法实现了甲烷浓度、温度、压力多参数同时反演, 各参数反演结果误差均在10%以内。本工作为实现煤炭地下气化产物甲烷气体的在线检测提供了一种有效可行的手段。

• 高温高压下基于 TDLAS 的乙炔浓度和 温度同时探测

  刘庆辉,黄文健,高光珍,张铭珂,王宣,杨玉冰,蔡廷栋

  碳氢燃料燃烧过程中会产生大量的碳烟, 乙炔作为碳烟产物的重要前驱体, 其浓度对碳烟的生成有着重要影响, 因此, 实现对燃烧环境中乙炔的直接探测有着重要意义。本工作搭建了一套可调谐二极管激光吸收光谱测量系统, 并通过高温高压气体池模拟燃烧环境, 探测了不同温度和压强下的乙炔气体吸收谱线。利用中心波长为1542 nm的可调谐半导体激光器作为光源, 采用扫描波长直接吸收方法, 获取6489.074 cm−1与6490.020 cm−1处乙炔的一段吸收谱线消光信号, 实现了对乙炔浓度和温度的同时测量。实验结果表明, 在压强为1.01 × 105~5.05 × 105 Pa和500~1100 K温度范围内, 气体体积浓度和气体温度测量的相对平均标准偏差分别为4.59%和2.47%, 与参考值吻合度较高, 表明该系统可为高温高压下气体浓度和温度的同时测量提供帮助。

• 双条金原子链体系等离激元的激发特性

  吴仍来,唐嘉尉,黄恺健,薛艺,李俏璇

  基于线性响应理论, 利用能量吸收谱研究了双条金原子链体系等离激元的频率和电荷分布。结果表明, 当链长相同时, 双条原子链的等离激元模式比单条原子链的更容易发生耦合, 表现为: 单链体系大的单一能量吸收峰在双链体系时分裂为多个尖细的峰, 且耦合的几个等离激元模式会出现相反的电荷极化方向。此外, 无论是偶极还是四极等离激元, 双条原子链最强的能量吸收峰的频率都大于单链最强能量吸收峰的频率。等离激元的尺寸效应使得同一序号的等离激元在双链体系中的频率会低于其在单链体系中的频率, 且在低频率范围, 双链体系的等离激元模式数要多于单链体系的模式数。

• 任意大小二值图像的量子描述及形态学处理方法

  张亚奇,赵娅,李盼池

  为解决量子计算机上图像的形态学处理问题, 研究了几种量子图像的形态学处理方法。首先, 提出了一种改进的任意大小图像的量子描述方法, 该方法对于像素值和像素位置均采用量子基态描述, 其中描述像素位置的量子基态数量等于像素个数。随后, 通过设计“ 膨胀、腐蚀” 这两种基本操作的量子线路, 设计出几种二值图像的量子形态学处理方法, 包括: 图像去噪、边界提取、骨架提取。最后, 通过经典计算机上的仿真, 验证了所设计的几种量子形态学方法的执行效果, 并基于所用基本量子门数量分析了量子线路的复杂度。研究结果表明, 本工作提出的方法可以实现对经典方法的加速。

• 基于深度强化学习的量子奥托循环性能优化

  李建松,李海,于文莉,郝亚明

  针对通常情况下实现高性能的绝热捷径量子奥托循环 (QOC) 需要施加复杂调控场的难题, 研究了实验上相对便于操控的线性驱动场下QOC的性能特征。利用基于策略函数的深度强化学习, 对以单量子比特为工质的QOC膨胀与压缩过程的附加驱动场进行优化, 实现了线性驱动场下高性能的QOC。与非绝热自由演化方案下的QOC对比, 优化附加驱动方案下的QOC在输出功、功率以及效率方面都表现出显著的优越性。特别是在较短循环周期中, 自由演化方案下的QOC因大量不可逆功的产生, 完全抑制了正功的输出, 然而优化驱动方案下的QOC却仍能正常运行(有正功输出)。本工作初步检验了深度强化学习在优化量子热机性能中的有效性。

• 全光纤自相似锁模激光器实验及理论研究

  王洋洋,周勇,高伟清

  在锁模光纤激光器中, 本研究基于高集成度器件同时实现了泵浦耦合、光谱滤波和偏振相关隔离损耗, 进而在1550 nm波段实现了自相似被动锁模脉冲输出。同时还搭建了全光纤放大器进行非线性增益管理放大, 成功将自相似脉冲的10 dB谱宽从25.9 nm拓宽至52.6 nm, 然后利用负色散光纤将脉冲宽度压窄至66 fs。最后, 基于广义非线性薛定谔方程与激光速率方程的数值模拟, 从理论上研究了激光器和光纤放大器的脉冲运转过程。模拟结果表明腔内的窄带滤波器和较长的正色散增益光纤是线性啁啾自相似锁模脉冲产生的必要条件, 当自相似脉冲被光纤预压缩后, 使用足够长度的正色散增益光纤可同时实现脉冲的自相似放大以及非线性增益管理放大, 从而在全光纤结构中输出脉宽小于100 fs的锁模脉冲。

• 地基月球光谱辐照度仪的自动跟踪系统设计

  李萍,李新,黄冬,张权,潘琰,

  月球用于卫星在轨辐射定标具有稳定性髙、反射率光谱变化平缓、背景影响小、不受大气影响等优点。由于月球辐射受月相角、月天动平、日月距离等因素的影响, 月球定标需要通过地面长期观测以建立高精度的月球辐射模型。为此, 设计了一套地基月球光谱辐照度仪的自动跟踪系统。该系统利用月球位置算法获得月球的天顶角和方位角以实现初步跟踪, 进而利用CCD相机拍摄月球图片进行图像处理以实现精确跟踪。室外跟踪观测实验表明, 月球位置计算和图像处理跟踪相结合的跟踪方式具有较高的精确度, 平均跟踪精度在0.04°以内, 证明该月球跟踪系统具有准确性和可靠性。

• 高保真度声子-光子量子隐形传态

  王婷,穆青霞

  基于腔光机械系统实现光子-光子之间的量子隐形传态已经取得了重要进展, 但将便于传输的光子量子态通过量子隐形传态传输到长寿命的声子上, 仍然是一个亟待解决且富有挑战的问题。本文基于混合腔光机械系统, 提出通过非线性相互作用, 实现固态量子比特和飞行量子比特之间的未知量子态非局域传输的物理实现方案。为探索该方案的实验可行性, 重点考虑了环境温度和腔的耗散对保真度的影响。结果表明, 在一定的温度和耗散条件下, 通过调节适当的参数, 可以实现高保真度的声子-光子之间的混合量子隐形传态, 该结果对非局域混合量子信息处理具有一定的理论意义。

• 基于元胞自动机的高速保密增强算法FPGA 实现

  陆叶锴,白恩健,蒋学芹,吴贇,陈根龙

  作为量子通信后处理部分的重要步骤, 保密增强过程能够消除量子密钥分发过程中可能出现的信息泄露, 以实现量子密钥分发系统的无条件安全性。为降低硬件资源消耗、提高算法的安全成码率, 本研究采用现场可编程门阵列 (FPGA), 实现了一种基于元胞自动机的高速保密增强算法, 通过对算法进行符合FPGA硬件特性的改进和流水线结构优化, 使得该方案相较于需要庞大矩阵乘法运算的Toeplitz矩阵方案在速度上有较大的优势。该方案在实时传输协商密钥的情况下, 能适应任意长度的输入密钥和0~1之间的任意分数压缩比例; 该方案采用256阶的元胞自动机处理1.28 Mbits输入密钥, 在压缩比例为0.5时, 最大安全成码率可达到1540 Mbits/s。

• 基于粒子群优化算法的量子卷积神经网络

  张嘉雯,蔡彬彬,林崧

  针对当前量子卷积神经网络模型中参数化量子电路缺乏自适应目标选择策略的问题, 提出了一种基于粒子群优化算法自动优化电路的量子卷积神经网络模型。该模型通过将量子电路编码为粒子, 并利用粒子群优化算法对电路进行优化, 从而搜索出在图像分类任务上表现优异的电路结构。基于Fashion MNIST和MNIST标准数据集的仿真实验表明, 该模型具有较强的学习能力和良好的泛化性能, 准确率分别可达94.7%和99.05%。相较于现有量子卷积神经网络模型, 平均分类精度最高分别提升了4.14%和1.43%。

• 基于线路动态划分与门序重组的量子线路映射方法

  姜一博,陈子禄,程学云,管致锦

  在噪声中等尺度量子 (NISQ) 时代, 量子芯片中量子位的受限连接导致量子线路中双量子位门无法直接执行。因此, 将逻辑量子线路映射至量子芯片并使双量子位门可直接执行具有重要意义。本文提出基于线路动态划分与门序重组的量子线路映射方法, 并基于ZX演算对交换规则进行等价性验证。该方法将线路动态划分为三层, 并在映射过程中于基准门后设置移动窗口, 采取左贪心的移动方式通过交换规则重组门序, 从而减少映射过程中附加门数量。实验结果表明, 相比于现有映射方法, 本文所提方法所需附加门数量更少, 平均优化率为24%, 最大优化率为46%。

• Yb:K0.1Na0.9Gd(MoO4)2晶体生长及物性评价研究

  张传成,任浩,王苗苗,刘龙超,邹勇,刘海莲,刘文鹏,丁守军,

  本文采用提拉法生长出Yb3+掺杂(原子数分数为5%)钼酸钆钠钾激光晶体K0.1Na0.9Gd(MoO4)2, 表征了晶体的结构, 使用排水法获得了晶体的密度, 测试了晶体的硬度、比热、热扩散系数以及热导率等物理特性, 并提出了一种简单有效的比热和热扩散系数理论拟合方法, 拟合结果与实验结果吻合良好。研究表明: 钼酸钆钠钾激光晶体属于四方晶系, 具有白钨矿结构特征, 晶体的实验密度和理论密度分别为5.3792 g/cm3和5.3460 g/cm3; 晶体b轴方向的维氏硬度为251.5 kg/mm2; 随着温度的升高, 晶体的热导率从300 K时的1.03 W⋅m-1⋅K-1下降到400 K时的0.91 W⋅m-1⋅K-1; 该晶体在300 K温度下的比热接近0.62 J⋅g-1⋅K-1, 表明晶体具有较高的热损伤阈值; 在970 nm InGaAs激光二极管激发下, 晶体的最强发射峰位于1023 nm处, 发射带宽达到了43 nm, 表明该晶体有望应用于宽带可调谐和超短脉冲激光领域。对该晶体的机械、热力学性能和光谱性能的研究可以为该晶体的激光性能研究提供重要的参考。