基于BP神经网络的测量设备无关协议参数预测

针对传统参数优化方法计算开销大,不能满足实时性要求高、计算量大等应用场景的问题,结合当今主流的机器学习方法,提出了一种改进的基于BP神经网络的参数优化方法,利用本地搜索算法的数据训练网络并对参数进行预测,替代传统的查找算法,从而获得更好的实时性和更低的计算复杂度,随后与基于随机森林和XGBoost的方法进行了比较。仿真结果表明,BP神经网络预测所得各参数的均方误差数量级为10^(-6)或更小,由该参数计算所得密钥生成率与最优密钥生成率比值的均值为0.998 8,且该应用中BP神经网络相对随机森林和XGBoost具有更好的预测性能。

波长可调的量子点纠缠光源(特邀)

可按需产生纠缠光子对的量子光源是光量子网络中的重要组成部分。半导体量子点可确定性地产生高纠缠保真度的光子对。基于量子点构建量子网络所需的量子中继单元时,需要多个发光波长一致的高质量纠缠光源。然而量子点形貌、组分和应力的不均一性严重限制了基于量子点的量子中继器的可扩展性。国内外研究团队发展了多种量子点生长后调节技术,成功调节量子点精细结构劈裂并通过联合多个调节自由度实现多维度的调节。本文综述了目前联合多个调节自由度实现发光波长和精细结构劈裂均能调控的实验方案,总结了不同方案的调节方法和研究现状,并介绍了将量子点与光学微腔相结合通过Purcell效应能进一步提升纠缠光源的性能。最后,对该领域的未来发展进行展望。

利用纠缠交换制备原子-原子最大纠缠态

基于腔量子电动力学(QED)提出一种利用两对纠缠的级联型三能级原子与单模腔场系统制备原子-原子最大纠缠态的简单方案,最初两原子之间、两腔场之间互不纠缠,使其中一个原子与一个腔场发生作用,即纠缠交换,该过程仅需对单个腔场态测量就可实现从未有直接作用的两个原子之间的纠缠,精确控制原子与腔场的相互作用时间可获得具有最大保真度的纠缠态.该方案可以延长腔的有效泄漏时间,从而能有效克服光腔的消相干的影响,这样大大降低了系统对腔的品质的要求.

奇偶相干态信号场下的量子关联和纠缠

为了实现两原子之间的非经典关联,借助于电磁诱导光透明(electromagnetically induced optical transparency,EIT)机制,利用量子态的映射技术,研究原子系综内两原子的量子关联和纠缠。结果表明:分别通过测量扰动刻画的量子关联和并发度刻画的量子纠缠,发现它们都能够被绝热地生成,但是,随着平均光子数的增加,二者的演变完全不同。随着平均光子数的增加,无论信号场是奇数相干态还是偶数相干态,它们都有利于量子关联的生成。对于奇相干态信号场,量子纠缠随着光子数的增加而逐渐减小;对于偶相干态信号场,量子纠缠却经历了一个先增加后减小的过程。系综内原子个数的增加,使得原子间的退相干加剧,从而导致量子关联和纠缠都被削弱。

基于半导体量子阱中四波混频效应的高效光学非互易

基于半导体量子阱纳米结构中的四波混频效应,提出了一种无磁光学非互易的理论方案.利用实验可得的合适参数,实现了具有高传输率的非互易传输和非互易相移.此外,将这种半导体量子阱纳米结构嵌入马赫-曾德尔干涉仪,选择适当的参数,可以实现隔离比为92.39 dB、插入损耗为0.25 dB的双端口光隔离器,以及保真度为0.9993、光子存活率为0.9518、低插入损耗的四端口光环行器.半导体介质具有更容易集成和参数可调的优势,此方案可以为基于半导体固态介质的非互易性和非互易光子器件的实现提供理论指导.

双端腔Ⅱ类倍频产生四组份纠缠光场

量子纠缠是执行量子计算和构建量子通信网络的关键资源,制备与操控纠缠态光场是实现量子信息处理的基础要素.本文提出了利用双端光学腔倍频产生四组份纠缠态的理论模型,从耦合波方程出发得到Ⅱ类倍频过程的传输矩阵,通过腔内自再现方程和输入输出传输矩阵理论研究了输出的两束倍频光的噪声特性;对于两束倍频光和两束基频泵浦场,利用多组份纠缠光场的充分必要判据PPT方法(positivity under partial transposition criterion)分析了最小辛本征值与泵浦功率及分析频率之间的关系,研究结果表明基频泵浦光与倍频光之间存在四组份纠缠.

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。

低秩聚类被动压缩鬼成像

低采样率下的高质量鬼成像(GI)对于科学研究和实际应用具有重要意义,为了在低采样率条件下重建高质量图像,提出了一种高质量的被动式压缩鬼成像重构算法(PCGI-LRC)。基于图像的非局域相似块堆叠而成的矩阵具有低秩和稀疏奇异值的假设,从理论和实验上证明了一种对最小二乘问题与非局域相似块低秩近似问题进行联合迭代求解的方法,能够在低采样率(6.25%~50%)条件下实现高质量鬼成像。实验结果表明:与基于稀疏基约束的GI(GI-SBC)和基于全变分约束的GI(GI-TVC)相比,PCGI-LRC在峰值信噪比、结构相似性系数和视觉观测等方面均更优,在抑制重构噪声的同时保持了目标的细节信息,其中PSNR提升效果优于1.1 dB,SSIM提升效果优于0.04。

基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器

动态偏振控制器能够实现输入光场任意偏振态到输出光场任意偏振态的控制,可以动态补偿长距离单模光纤导致的双折射效应,是量子通信和相干通信系统中的重要器件.本文设计并实验验证了基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器,芯片采用标准的绝缘体上硅工艺制作,器件整体尺寸为5.20 mm×0.12 mm×0.80 mm,整体损耗为5.7 dB,最大功耗为0.2W.基于可变步长.模拟退火算法、低噪声探测器和高静态消光比的器件,动态偏振消光比可锁定至30 dB以上.芯片采用热相移器对TE0光场的相位延迟量进行控制,整体为0°/45°/0°/45°结构,可实现无端偏振控制.基于Lumerical软件对核心部件偏振旋转分束结构进行了优化,该结构将以端面耦合方式进入波导中的TM0模式光场转化至另一波导中的TE0模式光场,而原单波导中TE0模式光场不发生转化,实验测得动态偏振控制器的静态偏振消光比可达40 dB以上.该器件具有小体积、低功耗和低成本的特点,可以广泛应用于量子通信和相干通信等领域,特别是需要考虑体积、功耗和成本的应用场合.

基于六方氮化硼的确定性量子光源研究进展

量子光源是量子信息科学技术的基石,对于推动光量子科技的进步至关重要。高效、稳定且易于获得的单光子源的实现是促进相关技术发展的关键。目前,六方氮化硼中的单光子源因其高亮度和优异的室温光学稳定性而备受关注。本文概述了六方氮化硼中单光子源的研究现状和物理特性,详细介绍了在六方氮化硼中实现精确定位单光子源的各种制备技术;并探讨了基于六方氮化硼的单光子源在不同应用领域的应用,如与光学微腔和波导的耦合以及通过外部电场或应力对它们的调制。最后,总结了六方氮化硼中单光子源所面临的机遇和挑战,并讨论了目前正在探索的研究方向以及未来的新可能性。

基于多光子叠加态的交叉相位调制耦合参数测量

继纠缠之后,粒子间相互作用已成为量子增强的重要资源.在不利用纠缠资源的前提下,已有研究工作利用单光子叠加态与相干态的相互作用实现了精度为海森堡极限的参数测量,然而海森堡极限并不是这个相互作用模型的测量精度极限.为了得到更高的测量精度,将单光子叠加态替换为多光子叠加态,在弱测量框架下对信号光量子态进行后选择与量子态筛选.将单光子叠加态替换为多光子叠加态,能为测量结果带来全方位提升.提出基于多光子叠加态的交叉相位调制耦合参数测量的物理方案,该物理方案具有搭建难度低及操作简单的优点.

相敏操控对制备低频双模正交压缩真空态光场的影响

本文提出了利用单边带移频光实现非简并光学参量放大器相敏操控的方案,实验研究了在对非简并光学参量放大器相敏操控过程中,单边带移频光注入的方案和信号光注入的方案对产生的低频双模正交压缩真空态光场的影响.实验结果表明,信号光注入非简并光学参量放大器实现相敏操控过程中,压缩真空态的压缩度随着注入信号光场功率的增加不断减小直至消失.而在单边带移频光注入非简并光学参量放大器实现相敏操控过程中,正交振幅和正交位相压缩真空态的压缩度对注入移频光场的功率变化都不敏感,压缩度几乎不变.采用单边带移频光方案实现稳定的相敏操控,非简并光学参量放大器运转于相敏放大状态达30 min,获得了稳定输出的低频双模正交压缩真空态光场,在傅里叶分析频率为200 kHz测量的正交振幅分量的压缩度为(4.1±0.1)dB,正交位相分量的压缩度为(4.0±0.2)dB.

液相超声法制备金属硫化物量子点的研究进展

量子点(Quantum Dots,QDs)是一种零维纳米材料,其尺寸小于或接近激子玻尔半径。随着纳米技术的发展,金属硫化物量子点因其独特的光学、电学和磁学性质而受到广泛关注,可将其分为过渡金属硫化物量子点(TMD QDs)、Ⅱ-Ⅵ族量子点及Ⅳ-Ⅵ族量子点等。超声法制备量子点具有高效、环保、易于控制和可扩展性等优点,逐渐成为制备金属硫化物量子点的重要技术之一。金属硫化物量子点有着别于传统体相材料的优异光电特性,在近些年里,其优越而又独特的性能使得在更多的领域中得到了深入的研究和应用,如光电器件、生物成像、光催化等。本文综述了超声法制备不同金属硫化物量子点的研究进展,并对其性质和应用进行了归纳和总结。最后,对超声法制备金属硫化物量子点进行了展望。

基于手征原子媒质的光学时域隐身调控

基于五能级结构手征原子媒质,对光学时域隐身在外场调控下的实现进行了研究。在该五能级手征原子系统下,推导了原子媒质与光场参数相关的等效电磁响应参数的广义表达式,进而根据群折射率计算输出光脉冲。数值计算了五能级原子系统的外场以及原子媒质相关参数对隐身时域窗口大小以及形成时域窗口的光脉冲强度的影响。结果表明,时域窗口大小随控制场Rabi频率改变但基本不依赖于控制场的相位变化;两个耦合场相位在一个周期内的变化对左右旋圆极化输出波特性影响相反;两个耦合场中,当其中一个耦合场的Rabi频率减小时,对应时域窗口增大,但同时也会使形成窗口的脉冲强度减弱,而另一个耦合场Rabi频率则对时域窗口的大小影响较小。因此改变控制场和两个耦合场的强度、相位和失谐等参量可有效地调控输出脉冲的加速和延迟,产生显著的隐身时域窗口,提供了一种可操控的光学时域隐身的方案。

基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪

量子增强型光学相位追踪作为高精度跟踪和测量光学相位的量子光学技术,在目标定位、量子测距以及相控阵雷达和唢呐等领域中有着重要应用.本文提出一种基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪协议.采用中心波长为1064 nm的连续固体激光光源,结合光学参量振荡器以及Pound-Drever-Hall(PDH)锁定技术,制备得到初始压缩度为(8.0±0.2)dB的相位压缩态光场.通过信号调制及解调技术,实现对压缩态光场相位的控制,从而实现对光学相位0-2π范围内的量子增强型追踪.与经典协议相比,这一协议可以将相位追踪的噪声起伏抑制至散粒噪声基准以下至少6.27 dB,实现了相位追踪精度至少76.4%的量子增强.由于到达角估计、相控阵雷达、相控阵唢呐等应用领域对相位测量精度要求极高,这一协议有望将相位估计的精度提高至突破散粒噪声极限,为相关领域提供压缩光源,也为更高精度的空间定位及量子测距技术提供理论和实验基础.

基于最小权和模板匹配的Oracle线路优化

优化量子线路对于提高量子算法的计算效率和降低资源成本至关重要,特别是在布尔函数构建的Oracle线路中。该优化过程分为两个关键阶段,第一个阶段基于最小权匹配算法对Oracle线路相同受控点的MCT门进行重排序,最小化生成线路的门数;第二个阶段利用模板匹配的方式进一步降低线路的门数和代价。实验结果表明,相较于优化工具RCViewer^(+),在4~10位量子比特数下, Deutsch-Jozsa算法下的Oracle线路门数降低了约48.3%,代价减少了约64.5%;Grover算法下的Oracle线路门数降低了约25.0%,代价减少了约18.2%。

一种基于GHZ态的半量子双方身份认证协议

半量子身份认证在保障通讯安全方面发挥着至关重要的作用。通过引入一个量子第三方对密钥进行集中管理,提出一种新的基于Greenberger-Home-Zeilinger (GHZ)态的半量子双方身份认证协议。首先,对参与者的量子能力进行限制,两个认证者都只具有半量子的能力,协议使用更少的量子资源。其次,协议中两个半量子参与者只需要执行简单的测量操作和异或操作。安全性分析发现,利用该协议进行量子通信时,假冒攻击、截获重发攻击和纠缠附加攻击等攻击都无法引起合法身份信息的泄露,表明该协议可以有效防止非法的不诚实参与者获得合法身份,具有较好的安全性和实用性。

结合光电负反馈和模式清洁器的噪声抑制系统

光场噪声的有效抑制是开展精密测量研究的基础,特别是现代量子信息科学对光场噪声提出了散粒噪声极限的要求。本工作研究了一种结合光电负反馈和模式清洁器的噪声抑制系统,在边带模型和郎之万方程的基础上,分析了噪声抑制系统输出光场的噪声谱,讨论了光电负反馈回路的透射率、反馈增益以及光学模式清洁器的腔线宽对噪声抑制水平的影响。结果表明,该系统不仅可以有效抑制高频的强度噪声,使其达到散粒噪声极限,而且能够减小特定频率处的强度噪声。此外,引入带通滤波器能进一步扩展噪声抑制的水平和带宽。研究结果为实验研究提供了直接参考和必要基础。

自旋扭曲光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体

研究了自旋依赖双层方形光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensates,BEC)的基态特征.双层晶格间的相对扭曲角度和层间耦合强度是影响超冷原子密度分布的重要可调参数.当光晶格的最低能带呈单阱色散时,超冷原子在莫尔晶格(Moire lattice)中的局域化受扭曲角度、层间耦合强度、原子数和晶格深度等的影响;当光晶格的最低能带呈双阱色散时,光晶格的扭曲可导致2个自旋态的反向扭曲,随着层间耦合强度的增加,2个扭曲的自旋态逐渐重合.该研究工作有助于深入探索扭曲光晶格超冷原子中的新奇量子效应.

N个接收方的同时密集编码协议

针对当前同时密集编码中接收方数量受限问题,通过引入n比特量子傅里叶变换,提出了具有多个接收方的非受控和受控同时密集编码协议。在非受控多方同时密集编码协议中,发送方在待传粒子上执行编码以及加锁操作,接收方只有联合执行解锁操作,才能同时获得最终的编码信息;在受控多方同时密集编码协议中,只有全体接收者在控制者的允许下通过协作才能完成信息的传输。通过对内部和外部攻击进行了分析,证实了同时密集编码协议的安全性。此外,所提出的方案中只使用Bell基测量,在实验条件下容易实现。