“量子精密测量及应用”专辑征稿

量子精密测量通过对物理量进行量子水平上的极限探测和精准操控,以期实现在信息、材料、国防等领域的综合应用。相关技术已在时频测量、重力测量、量子导航、原子分子测量、量子传感、磁场测量、量子成像、量子雷达、精密光谱测量、引力波探测、量子弱测量等众多领域快速发展。随着国际基本物理计量单位“量子化”的实现,新一代精密测量已进入量子时代。为促进量子精密测量及应用领域相关专家学者与研究人员的学术交流,反映该领域的最新研究进展与前沿动态,并从专业的视角对该领域所面临的未来挑战及发展趋势进行客观、全面的展望,在主编郭光灿院士的倡议下,《量子电子学报》拟于2025年第2期出版“量子精密测量及应用”专辑,现面向全国征集相关领域的综述、评论与原创研究论文,欢迎投稿!

《量子电子学报》被DOAJ国际数据库收录

2024年1月2日,学报编辑部收到DOAJ数据库官方邮件,确认《量子电子学报》(中文拼音:Liangzi dianzi xuebao;英文名:Chinese Journal of Quantum Electronics)入选瑞典《DOAJ》数据库。DOAJ (Directory of Open Access Journals)也被称为"开放存取期刊目录",是由瑞典隆德大学创建的国际知名学术期刊数据库,也是目前世界上最大的仅收录开放获取期刊的数据库。

“LIBS关键技术与应用”专辑前言

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种基于原子发射光谱的物质分析技术,具有样品预处理简单、系统简洁、原位在线探测、多元素同步分析等优点。随着激光器、光谱仪、人工智能等相关技术的发展,LIBS被广泛应用于流程工业、地理环境、生物医学、深空探测等诸多领域,被誉为化学分析技术的“未来巨星”。

照明系统中配光元件反射-吸收损耗的计算

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。

紧凑型激光诱导击穿光谱仪的研制

基于煤质分析、冶金、水质检测等众多领域对激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的需求,本研究设计了一台基于激光诱导击穿光谱原理的紧凑型快速检测装置,其具有良好的稳定性和较高的激光能量(0~100 mJ),可进行全自动化谱线对比与筛选,从而实现多样品、多元素的LIBS快速检测。在参数优化的基础上,利用该装置对7个钢样所含的硅元素与碳元素进行了检测分析。实验结果表明,当延迟时间为1μs、离焦量为0 mm、激光能量为60 mJ时,可以获得最佳的硅、碳特征光谱数据。在最优实验条件下,对7个样品进行定量分析,利用内标法建立硅、碳元素的定标拟合曲线,其相关系数分别为0.986和0.999,相对强度比的相对标准误差不超过5%,预测值与实际值偏差较小。研究结果验证了该仪器具有良好的分析性能,对多元素检测、可移动式LIBS仪器的发展具有参考意义。

量子近似优化算法在数字分区问题中的应用

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。

一种基于验证的量子私有集合计算协议

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。

TC4钛合金样品硬度对激光诱导等离子体温度的影响研究

钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优良特性,目前已被广泛应用于压气机盘和叶片制造等航空制造领域。然而,钛合金材料的硬度较低,在服役过程中极易出现摩擦损耗等问题,从而降低部件的使用寿命。因此,原位、实时的硬度监测对钛合金部件在使用过程中的性能评估具有重要意义。本工作利用激光诱导击穿光谱(LIBS)对TC4钛合金样品热处理后的不同硬度进行了表征。实验结果发现,随着样品硬度增大,材料的激光诱导等离子体温度呈上升趋势,表明激光诱导等离子体温度可以作为金属硬度的重要表征参数。研究还进一步探究了材料硬度变化对等离子体温度影响的内在机理。

分布式量子计算研究进展

量子比特的高效拓展是量子计算获取量子加速优势需要解决的基本问题,分布式量子计算(DQC)因其高度可行性和灵活性,成为解决量子比特拓展问题的关键技术之一。根据芯片间通信方式的不同,分布式量子计算可以分为基于量子隐形传态和基于量子线路拆分的分布式量子计算两种类型,前者主要面向容错量子计算,而后者被认为可在中等规模含噪声量子(NISQ)时代有效提升量子计算机算力。从长远角度来看,作为量子网络的主要应用之一,分布式量子计算可以更好地整合接入量子网络的海量量子计算机以解决高难度问题。首先介绍了分布式量子计算的来源和类型,在此基础上,给出了两类分布式量子计算的基本原理和发展状况,以及关注度较高的应用算法和编译优化方法。

傅里叶变换红外光谱自适应数字滤波算法研究

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SPA-SVR模型的LIBS铁精矿矿浆中铁品位的在线测量

浮选是选矿过程中的重要一步,浮选过程中矿浆品位是选矿工艺需要实时掌握的重要指标。实验室开发了基于激光诱导击穿光谱的在线矿浆成分分析仪SIA-LIBSlurry,可以通过采集光谱数据对浮选过程中矿浆的各元素含量进行实时测量。但铁矿浆光谱数据维度较高,数据间强烈的多重共线性和非线性问题增加了建模的复杂度。为了解决该问题,本工作比较了两种变量选择算法:竞争性自适应重加权算法(CARS)和连续投影算法(SPA),并结合支持向量机回归(SVR)建立定量分析模型。研究结果表明:全谱6116个变量建立的SVR模型精度较低,预测均方根误差为1.45%;CARS筛选出的231个变量建立的CARS-SVR模型的预测能力有所提高,预测均方根误差为1.09%;SPA筛选出的12个变量建模,SPA-SVR模型取得了最佳预测效果,预测均方根误差降到了0.97%。说明SPA-SVR模型具有较高的预测准确率,有助于提高SIA-LIBSlurry分析仪在线监测的准确性。

准光学薄态下自吸收校正的铜锌合金CF-LIBS定量分析研究

免定标(CF)方法是一种面向激光诱导击穿光谱(LIBS)的定量分析方法,可在无定标曲线的情况下直接完成探测元素的含量计算,但传统CF-LIBS的实际定量结果往往与真实值存在一定差距。为了提高CF-LIBS定量分析结果的精度,本文使用三种不同质量比的标准铜锌合金靶进行CF-LIBS定量分析计算,通过“准光学薄态逼近”和“谱线自吸收校正”,成功实现了合金靶中Zn/Cu质量比的准确定量。在具体实施过程中,首先通过调节“激光能量”和“探测延时”逼近元素双线比的理论强度值,以此寻获等离子体的“准光学薄”状态。在此基础上,根据元素谱线计算相应的自吸收系数,依据该系数进行LIBS光谱强度的修正,以此完成LIBS谱线的自吸收校正。两部分工作的有效结合,显著提升了CF-LIBS定量的分析精度,结果显示测算的铜锌元素质量比与实际含量非常吻合,三种标准铜锌合金靶的定量误差均小于3.5%,证明了本文所提出方法的有效性和合理性,未来有望在其他领域获得应用验证。

激光诱导击穿光谱仪器化研制综述

作为一种新型物质探测技术,激光诱导击穿光谱(LIBS)技术因具有制样简单、非接触式测量、现场适应能力强、分析速度快以及能同时对多种元素进行识别和定量分析等突出优点,近年来在工厂运维、垃圾回收、岩矿分析、文化遗产保护、环境监测、生物医疗、食品检验、国土安全等诸多领域得到广泛应用。在从实验室逐步走向实际应用的过程中,各国研究人员开发了各式LIBS仪器,根据其大小和使用特点,大致可分为台式、远程式和便携式三类。本研究对激光诱导击穿光谱的原理、系统构成和发展脉络作了系统性的介绍,对现有的LIBS仪器进行了分类与综述,细致探讨了各类设备的优势及面临的挑战,并对未来的发展方向进行了展望。

新型红外非线性硒镓钡多晶的合成与提纯研究

硒镓钡晶体(BaGa_(4)Se_(7),BGSe)是目前广受关注的一种新型红外非线性晶体。本文分别采用双温区法和高压辅助法合成硒镓钡多晶原料,并设计大温度梯度快速提纯方法对合成后的多晶料进行提纯。通过粉末X射线衍射仪(XRD)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)和X射线能谱仪(EDS)对提纯前后的BGSe多晶的物相组成和杂质浓度进行了表征。X射线衍射谱与理论模拟图谱结果一致,无杂峰;ICP-MS等测试结果表明,提纯后晶锭中的Fe、Al等金属杂质以及O杂质含量均得到明显降低。本工作可为高品质单晶生长提供原料基础。

基于彩色相机RGGB通道的LIBS等离子体图像采集与分析

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种基于瞬态等离子体的发射光谱,而实现等离子体成像则对LIBS技术研究至关重要。本工作采用低成本的工业彩色相机实现了LIBS等离子体动态观测,本文以相机RGB通道分离出不同波段下的等离子体成像结果,进而实现对应波段下元素演化情况的动态观测。以铜锌合金靶材进行了方法验证,结果显示所提出的成像方式能够较好地完成不同元素(Zn、Cu、O)扩张情况的表征,且结合带通滤色片可实现更窄波段下的等离子体成像,证明了彩色相机RGB通道用于等离子体成像分析的可行性,为LIBS基础研究提供了一种实用的技术手段。

基于原子天线的低频电场量子精密测量和应用

基于原子系综的量子精密测量体系具有高准确和高稳定的特点,是未来先进测量体系的发展方向之一。其中,基于里德堡原子的电场测量具有高灵敏、超宽带以及优异的电气隔离等特性,近年来受到广泛关注。然而,当前基于里德堡原子的电场量子精密测量研究多集中于微波频段,GHz以下的低频电场测量研究较少。鉴于DC~MHz频段电场的高灵敏探测在地球物理、生物传感、国防通信、太空探索等方面具有重要的科学意义和应用价值,本文梳理了DC~MHz频段的新型天线研究进展,综述了近年来原子天线技术的发展趋势,概述了基于里德堡原子的低频电场测量原理,并分析讨论了原子天线在灵敏度、瞬时带宽等关键性能指标方面的提升方案及在未来低频探测领域的潜在应用。

一种利用光子图像解决深度学习中子CT缺乏成对数据的方法

由于缺少高质量成对数据集,深度学习在中子层析(CT)重建中的应用与发展受到了严重阻碍。虽然中子层析和光子层析成像原理都基于Radon变换,但二者在粒子输运过程中的成像特征不同,所以光子层析图像训练的网络无法直接用于解决中子层析成像的重建问题。为此,本文提出了一种可以解决光子和中子层析成像迁移过程中概率分布差异问题的无监督域适应网络。该方法通过引入最大均值差异计算以减小光子与中子层析图像特征之间的分布差异,并通过小波变换与卷积神经网络相结合的方式增强重建的有效特征。与其他算法的对比验证表明,该方法能够从低投影通量下的中子层析结果中重建出高质量的中子层析图像,有效缓解了低投影通量下中子层析成像退化的问题。

基于激光诱导击穿光谱技术的水中氮元素检测

利用气溶胶辅助激光诱导击穿光谱(LIBS)技术实现了对水中富营养化元素氮的实时在线准确快速检测。针对传统的同心雾化器对液体的进样量受液体物理性质限制的缺陷,本文采用微量注射泵辅助进样实现不同盐度待测样的相同进样量。结果表明,采用微量注射泵,N I 746.831 nm绝对光谱强度的平均相对标准偏差D_(RSAV)由19.51%改善至6.78%,定量分析检测极限LoD由5.45改善至1.57 mg/L,预测浓度与制备浓度的线性决定系数R^(2)、平均相对误差E_(R)和交叉验证均方根误差E_(RMSCV)分别由0.2830、45.80%和23.96mg/L改善至0.9043、10.33%和4.28 mg/L。本研究的结果表明微量注射泵辅助进样可实现气溶胶辅助LIBS技术对水中氮元素的精准灵敏检测。

纳秒脉冲激光制备黑硅及其光学性能的研究

利用纳秒脉冲激光器在常温常压室内环境下扫描刻蚀单晶硅片,通过改变扫描方式和扫描的线间距制备了各种不同结构的黑硅样品,重点研究了扫描方式、扫描间隔、高温吹氧退火时间等对黑硅光致发光(PL)特性的影响,以及不同参量制备的硅表面微结构对光吸收率的影响。利用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、光学显微镜、拉曼和荧光光谱仪、吸收光谱仪等对制备的黑硅样品形貌、光吸收和PL发光特性进行了检测与表征,获得了吸收率高于90%且具有良好发光性能的黑硅结构样品。研究发现,采用线性扫描方式制备的黑硅样品的PL光谱主要分布在红光波段,而采用正交扫描方式制备的黑硅样品的PL光谱中在近红外900 nm附近有稳定的发光峰;此外,在黑硅样品中还观察到630 nm附近的电子局域态发光,并通过建立对应的物理模型解释了其发光机理。

光丝诱导大气等离子体化学反应生成的一氧化氮测量

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。