量子传感(Ⅰ):基础理论与方法

作为当前三大核心量子技术之一的量子传感技术,是量子信息感知与获取的重要物理实现基础,也是发展历史最悠久、技术成熟度最高、实际应用范围最广、潜在应用最多的量子技术。文章是量子传感的第一部分,主要介绍量子传感的基础理论与方法。首先从理论上总结量子传感的定义及基本概念,指出量子传感“量子性”的由来,并从实际应用的角度,提出量子传感的技术外延以及分类依据;接着详细介绍了有关量子传感的基本实现架构,以及描述量子传感性能的核心技术指标,归纳了用于提高量子传感性能的物理原理及技术方法。

量子传感(Ⅱ):关键技术与典型代表

作为量子信息感知物理实现基础的量子传感技术是三大核心量子技术之一,也是发展历史最悠久、技术成熟度最高、实际应用范围最广、潜在应用最多的量子技术。文章是量子传感综述论文的第二部分,在第一部分的基础上,介绍了量子传感的关键技术以及量子传感器的典型代表。其中,关键技术方面,结合量子态的制备、操控、探测,概括了量子传感具备颠覆性能力的核心原理及技术支撑;典型代表方面,详细介绍了频率、电、磁、重力、惯性等代表性量子传感器技术,以及各类量子传感器的基本原理、实现平台及发展现状。

量子传感(Ⅲ):核心应用与未来展望

作为量子信息感知物理实现基础的量子传感技术是三大核心量子技术之一,也是发展历史最悠久、技术成熟度最高、实际应用范围最广、潜在应用最多的量子技术。文章是量子传感系列综述的第三部分,在前两部分内容的基础上,从实际应用角度出发,介绍量子传感技术在导航定位授时、遥感探测、生物医学和基础物理等代表性领域的应用现状,阐述了量子传感的阶段性发展特征,包括量子传感的核心使能组件、量子传感的适应性难题等,最后,结合从传感到信息感知的论述,给出了量子传感技术的未来展望。

非线性相互作用引起的双模Dicke模型的新奇量子相变

量子相变是量子光学和凝聚态物理领域的一个重要课题.本文在标准双模Dicke模型的基础上引入原子-光的非线性相互作用,研究其所引起的量子相变.利用自旋相干态变分法从理论上给出有两个参量的基态能量泛函.两模光场采用四种不同的比例关系进行研究,并且在实验参数下,通过可调的原子-光的非线性相互作用参量,给出了宏观多粒子量子态的丰富结构.本文主要呈现了在蓝失谐和红失谐下,双稳的正常相、共存的正常-超辐射相和原子数反转态等丰富的基态特性.原子-光的非线性相互作用在蓝失谐可以引起标准的双模Dicke模型的正常相到超辐射相的二级量子相变.在红失谐时引起新奇的基态特性,新奇的量子相变,即反转的超辐射相到反转的正常相的二级逆量子相变.原子-光的非线性相互作用和两模光场比例不同时,对量子相变的相边界和基态物理量的值有较大影响.

再议量子理论的表述形式与诠释

量子力学建立至今已达百年,关于量子力学仍存留许多困惑与争议。我们注意到可能的原因是状态矢量表示理念的不一致,以及混淆了不同的波函数概率诠释。我们认识到,坚持把状态矢量表示为无量纲的对象,认清波函数的薛定谔、玻恩和狄拉克各自诠释的不同以及薛定谔、玻恩的概率诠释可以经由狄拉克完备性关系联系起来,认识到概率行为出现在无量纲的态矢/波函数与决定性的状态方程之外,则可以消除不少关于量子力学的误解。

带电沙尘大气对微波量子照明雷达性能的影响

本文旨在研究带电沙尘大气对微波量子照明雷达性能的影响.基于Mie粒子散射理论,运用模拟离散随机分布粒子对光子多重散射的蒙特卡罗方法,对不同能见度及不同粒子带电量的沙尘大气的微波衰减进行分析.根据量子照明雷达理论,采用基于分束器理论的分光链路模型模拟沙尘大气信道,并根据量子雷达方程及量子检测错误概率理论,开展不同能见度带电沙尘大气对微波量子照明雷达的检测错误概率、信噪比和最大探测范围等影响研究,并与经典TMN雷达性能进行对比分析.结果表明,在沙尘大气中,量子照明雷达的性能随着能见度的增大而提高,粒子带电会引起信号衰减增大及系统性能下降,带电量的变化引起性能的改变是非线性的.当能见度较高时适当提高信号频率可提高量子照明雷达的性能,当能见度较低时频率提高带来的增益会小于衰减增大带来的性能下降,这种情况不宜增大频率.在与经典雷达的比较发现,在较低能见度及较低发射平均光子数时量子雷达性能较优,但随着光子数增加,优势逐渐降低.

神奇的量子

设计说明:2016年8月16日,被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命,并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。量子(quantum)是现代物理的重要概念,最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。本作品通过幽默的语言与有趣的动画形式生动讲解了神秘的量子,让高深莫测的量子理论变得风趣,为观众揭示奇妙的量子世界。通过波动的图案、涟漪扩散的动画形式,展现量子的性质、强调量子的二象性。利用手绘与数字动画技术中的粒子特效来表现量子纠缠状态。通过波动的光线与旋转的3D模型来代表量子比特的状态变化等,同时插入幽默的旁白,解释量子行为的奇特。利用夸张的动画表情和动作来增强量子粒子人格化的特点,使观众更容易产生共鸣与理解。动画不仅准确地传达量子原理的复杂概念,还能以观众易于接受的方式呈现这些概念,激发他们对量子科学的兴趣和好奇心。通过手绘与数字技术的结合,展现信息如何在量子态下安全、快速地传递。观众将在享受视觉盛宴的同时,领略量子科技的巨大潜力。动画结尾强调了中国在量子科学领域的突出贡献,激励观众对祖国科学的热情与信心。

基于矩阵乘积压缩态的动态可扩展秘密共享方案

目前,基于纠缠态的量子秘密共享(quantum secret sharing,QSS)方案未充分利用纠缠态的概率振幅潜力.然而,纠缠态的概率振幅是量子信息学的一个关键特性,在量子计算和量子通信等领域有着广泛的应用潜力.值得注意的是,纠缠态可以通过矩阵乘积态(matrix product state,MPS)有效表达.利用MPS对纠缠态进行表征,能够准确地揭示与概率振幅相关的纠缠特性.本研究证明利用MPS表征纠缠态,可以将一个W态压缩为一个单光子和一个矩阵,展示一种新的技术路径.此外,本研究还提出MPS与秘密共享方案之间的创新互操作性,即通过压缩允许量子份额与共享的量子态之间形成非一对一的映射关系.这种方法可能提供一种更高效的方式来实现量子信息的编码和传输,对于量子秘密共享尤为重要.同时,我们提出的QSS方案具有动态特性,能够根据需要轻松地添加或移除参与者,以更好地适应参与者需求的变化,并在实际应用场景中展现出更高的实用性和适应性.本文的方案能够在保持高效纠缠利用的同时,满足系统的多元需求,包括但不限于通信安全性、数据传输率和系统的可扩展性.

水中的拓扑波

类似于在光学、弹性和量子系统中发现的现象,水波通过干涉也可以产生拓扑结构。当风或其他运动扰乱平静的水面时,流体微团会从其平衡位置产生位移。这种扰动以可见的波纹或波浪的形式在水面上传播,形成人们熟悉的线性和圆形等图案。在最新的研究中,日本理化学研究所(RIKEN)的Daria Smirnova等人发现了更为奇异的水波特征,呈现出以前在光学、弹性和量子系统中观察到的拓扑结构,并系统地研究了这些拓扑波如何直接通过实验产生,使水波可能成为探索普遍拓扑波现象的实用载体。

有限大小量子Dicke-Stark模型的动力学性质

利用相干态的超完备性,可以有效解决光子数空间的截断问题,在有限的相干态空间中即可得到精确的计算结果.本文在相干态空间中计算了Dicke-Stark模型的数值精确解,继而讨论了该模型的量子相变和时间演化动力学.通过计算Dicke-Stark模型基态的平均光子数和平均角动量,发现了量子相变现象,量子相变临界点会随非线性Stark作用发生移动.计算得到Dicke-Stark模型平均光子数和平均角动量随耦合强度和时间演化的相图,有助于了解有限大小Dicke-Stark模型的动力学性质.

基于格签名算法的抗量子区块链数据加密方法

为提升抗量子区块链数据加密的安全性,提出基于格签名算法的抗量子区块链数据加密方法。利用密钥矩阵生成区块链数据密钥,对部分数据分散处理,利用格签名算法对区块链数据签名,将签名与密钥整合生成区块链数据加密数字证书,利用证书对数据加密处理,以此实现基于格签名算法的抗量子区块链数据加密。实验证明,设计方法应用下抗量子区块链数据一致程度平均为97%,平均数据加密速率为3 115.15 byte/s,具有一定的应用价值。

基于量子纠缠的主备倒换技术研究

针对互联网系统中主备倒换过程安全性不高的问题,文章提出一种基于量子纠缠的主备倒换方法,介绍工作原理和实现方案,并分析该方法的可行性和潜在优势。该方法在互为备份的两个服务节点上部署多对纠缠态量子对,量子测量后,根据测量结果确定下一个服务周期是否进行主备倒换,无需两个服务节点之间通信确认,提高了主备倒换过程中的安全性。

量子信息科技的发展现状与展望

20世纪初,以原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术发明为标志性成果的第一次量子革命,促进了物质文明的巨大进步,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌.自20世纪90年代以来,量子调控技术的巨大进步,使得以量子信息科学为代表的量子科技突飞猛进,标志着第二次量子革命的兴起.量子信息科技包括量子通信、量子计算、量子精密测量等方面,为保障信息传输安全、提高运算速度、提升测量精度等提供了革命性解决方案,可为国家安全和国民经济高质量发展提供关键支撑.经过近30年的发展,我国在量子信息科技领域整体上已经实现了从跟踪、并跑到部分领跑的飞跃,在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位;在量子计算方面牢固占据国际第一方阵;在量子精密测量的多个方向进入国际领先或先进水平.当前,需要根据国家战略需求和国际竞争态势,做好未来5—10年我国在量子信息领域的发展重点研判,率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系.

连续变量量子密钥分发系统中动态偏振控制研究

连续变量量子密钥分发系统中,本地光场和信号光场采用时分复用,偏振复用方式通过长距离单模光纤传输.外界复杂环境会使单模光纤产生双折射效应,导致本地光场和信号光场的偏振态漂移,严重影响接收端平衡零拍探测结果.因此,高效动态偏振控制单元是推动系统外场实用化进程的关键技术.本文理论上证明了系统接收端仅考虑任意偏振消光比输出时,偏振控制单元只需两个控制自由度即可.在此基础上将贝叶斯参数估计方法有效融入混沌-猴群算法,同时在现场可编程逻辑门阵列硬件上实现控制算法,结合积分型光场探测器建立动态偏振控制单元,仿真和实验结果表明单次偏振控制静态消光比达到30 dB以上的平均周期为400μs.为了应对偏振态连续变化情况,将动态偏振控制单元集成到连续变量量子密钥分发系统,实验测试了偏振态扰动速率在0—2 krad/s范围内系统仍然能够正常运转.

车载自组网络下基于量子随机数的高效组密钥分发方案

针对车载自组网络近场通信中密钥分发通信开销大、安全性低的问题,本文提出了一种基于量子随机数的高效量子组密钥分发方案。在该方案中:(1)通过车端和云端的量子随机数共同生成车辆的匿名凭证,并采用零知识证明方式实现车辆与路端的身份互认,保护了车辆隐私;(2)通过一种两段式的组密钥,即路端和云端的两个关键参数实现了组密钥的更新。组密钥在保证前向安全和后向安全的前提下,信令开销减少了一半,大大缩短了组密钥下发时间。最后,通过安全性和性能分析证明了该方案的安全性。

基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.

一种鲁棒区分PJVS交流量子电压台阶平稳区与过渡区的判据

可编程约瑟夫森电压基准(programmable Josephson voltage standard,PJVS)通过生成阶梯波构建交流量子电压,其产生量子电压台阶过程中,会伴生过渡过程,导致电压台阶两端数据的准确性较低。常见的数据处理方法是将过渡过程的数据剔除,仅利用量子电压台阶上平稳区的数据,实现交流量子电压量值的复现。针对常用的3σ(σ为数据标准差)准则、片段采样方法等数据筛选准则,该文提出一种由量子电压台阶中心双向延拓并最小化A类测量不确定度的平稳区与过渡区判据,通过自动识别量子电压台阶的平稳区与过渡区,提升PJVS电压阶梯波复现交流电压量值的准确性。实验结果表明:该文提出的数据平稳区与过渡区的判据具有较高的鲁棒性和交流电压复现准确性,在2.5 kHz范围内,可使量子电压阶梯波信号复现交流电压幅值的偏差和A类测量不确定度均优于2.5×10-6。研究成果可有效提升量子电压阶梯波信号的测算准确性。

浓度依赖的掺铕硅酸钇晶体的光学和自旋非均匀展宽

可移动量子存储器是实现长距离量子通信的一种可行方案,该方案需要量子存储介质拥有小时量级的存储寿命.同位素提纯^(151)Eu^(3+):Y_(2)SiO_(5)晶体是实现这一应用的重要候选材料,但其较宽的非均匀展宽对其光存储效率和自旋存储寿命都构成了显著限制.本文自主生长了不同掺杂浓度的同位素提纯^(151)Eu^(3+):Y_(2)SiO_(5)晶体,讨论了影响非均匀展宽的机制和未来进一步控制非均匀展宽的方法,为超长寿命可移动量子存储器的实现奠定了基础.

控制开放超导量子电路系统中的几何量子关联冻结和量子相干性

本文研究了开放超导量子电路系统中,含时电磁场对两超导量子比特间的几何量子关联和量子相干性的影响.我们发现,加入磁场之后,几何量子关联被冻结的现象会出现,并且冻结的时间会随着含时电磁场的加入而得到延长.利用迹距离的方法,我们探讨了含时电磁场对超导量子比特与环境之间量子信息流动的影响,我们发现含时电磁场可以抑制环境的影响,降低超导量子比特与环境之间的量子信息流动.

量子力学表示理论的一种实现

量子力学创立伊始,狄拉克就关注到了一般表示的问题,其后量子力学的发展又引入了福克态、相干态等表示。好的表示应能提供正交归一的完备基,同时又能给出问题的严格解析解或者允许方便地得到近似解,但这常常是做不到的。我们意识到此前得到的相干态正交化方法恰恰满足表示理论的一般性要求,且因为包含自由参数为构造归一化的完备正交基实际上提供了无限的选择,这样甚至在解决问题的过程中都可以灵活地选择不同的表示,从而带来计算量的大幅减小。通过对不同耦合强度下的近共振态Rabi模型最初10个能级的计算,并同关联的JC模型的结果相比较,验证了相干态正交化方法的有效性。