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。

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.

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。

耗散腔中压缩真空态下Casimir效应

运用Fox-Li准模理论,研究了压缩真空态下耗散腔中的Casimir效应,并利用黎曼Zeta函数正规化方法,克服了计算中的发散问题.研究结果表明:耗散腔中的Casimir力不仅与腔的尺寸有关,还与耗散腔的衰减率和压缩系数有关,Casimir力随着腔尺寸和衰减率的增大而减小,随着压缩系数的增加而增大.

量子博弈——“PQ”问题

研究了量子博弈中的“PQ”问题,重点探讨了参与者策略制定、收益分配和量子效应对博弈结果的影响.首先回顾了量子博弈理论的发展,并对经典博弈与量子博弈进行了对比,详细定义了参与者和策略空间,并利用收益矩阵和量子操作符进行了建模.为解决“PQ”问题,提出了量子策略选择和优化算法,并设计了针对该问题的量子算法.在实际应用和案例研究方面,通过评述经典双人博弈——“PQ翻硬币”问题,表明当其中一个参与人采用量子策略时,他可以打败他的经典对手,获得更高的收益.通过量化手段,把整个“PQ”问题放在一个更为普遍和公平的条件下,对其推广并从多个方面和角度再次对其进行研究.同时,给出了“不完全公平博弈”和“完全公平博弈”的定义,对量子硬币翻转博弈(Meyer 1999 Phys.Rev.lett.821052)进行了修改,使博弈公平,并研究了量子硬币翻转的多轮版本.最后对“PQ”问题的局限性与扩展性进行了讨论,并展望了量子博弈研究的未来发展方向.

量子计算技术在新型电力系统决策优化中的应用

新型电力系统的规划、运行和市场运营等决策优化过程呈现变量激增、约束繁杂等特点,而量子计算具有运算并行和状态叠加等特性,为高效解决此类“维数灾难”难题提供了新的技术路径。文中围绕量子计算技术赋能新型电力系统决策优化的原理可行性及实现思路展开探析。首先,梳理分析量子计算应用于新型电力系统决策优化过程的先进性与局限性,构建量子-经典计算混合的变分量子决策优化框架。在此基础上,提炼新型电力系统典型优化问题的共性,推导统一的问题结构,形成可利用量子比特系统描述的能量模型。随后,提出基于量子近似优化算法的求解流程,寻找能量模型的极值,并映射得到原优化问题的最优解。最后,从软硬件、算法框架以及行业发展等角度提出思考与展望。

基于集成量子神经网络的大地构造环境判别与分析

量子地球科学是一门崭新的跨学科前缘专业,量子计算和量子机器学习算法为地学大数据的深度挖掘与分析带来了新的契机。其中,量子神经网络是目前最具代表性的研究方向之一,在复杂多源数据处理方面的效率与准确率尤为突出。本文以大地构造环境判别这一关键问题为切入点,利用堆叠集成算法对量子神经网络(Stacking Quantum Neural Network,S-QNN)进行了改进,并分别实现了玄武岩、辉长岩和尖晶石的构造环境智能判别;同时与四种传统算法(SVM、RF、KNN和NB)、经典神经网络(ANN)和传统量子神经网络(QNN)进行对比。结果表明,集成后的S-QNN模型在3类情况下的准确率较最优的传统算法分别提升5.67%、6.19%和13.34%,较普通的QNN模型提升3.11%、4.99%和3.84%,且更具鲁棒性和通用性。该研究反映了所提出的S-QNN在数据处理中的优势,更证实了量子机器学习算法在地球科学研究中的适用性与潜力,为量子科学与地球科学的交叉融合提供了新思路。

多逻辑比特表面码结构设计及其逻辑CNOT门实现

量子计算因具有并行处理能力,相比于经典计算有着指数级的加速,但量子系统具有脆弱性,极易受到噪声的影响,量子纠错码是克服量子噪声的有效手段.量子表面码是一种拓扑稳定子码,由于其结构上的最近邻居特点和较高的容错阈值,表面码在大规模容错量子计算方面具有巨大的潜力.目前已有的基于边界的表面码均为编码一个逻辑比特的表面码,本文主要研究基于边界如何实现多逻辑量子比特的编码,包括设计表面码的结构,根据结构找出对应的稳定子和逻辑操作,进一步根据稳定子设计出基于稳定子实现的编码线路;在研究基于测量和纠正的单量子比特间CNOT实现原理和基于融合操作和分割操作的单逻辑量子比特表面码间CNOT门实现原理的基础上,优化了基于融合操作和分割操作的单逻辑量子比特表面码间CNOT门实现方案,将其扩展到所设计的多逻辑量子比特表面码上实现了多逻辑量子比特表面码之间的CNOT操作,并通过仿真验证量子线路的正确性.本文设计的多逻辑比特表面码克服了单比特表面码不能密铺于量子芯片的缺点且提高了某些逻辑操作的长度,提高了容错能力.基于联合测量的思想降低了对辅助比特的要求且减小了实现过程中对量子资源的需求.

时间旅行的量子门

量子计算可以解决经典计算难于求解的问题,在物理原理允许范围内扩大了可有效计算的问题范围,对经典计算的扩展丘奇图灵论题提出了挑战.这里我们讨论一个有趣的问题:通过突破物理原理限制来实现更强大的计算机,进一步扩展量子计算机的能力.我们考虑一种全新的操纵能力,让量子计算可以实现时间穿梭旅行的量子控制门.这是量子门线路图形语言的一个符合直觉的扩展,作为例子,我们展示了一个可以有效求解SAT难题的扩展量子算法.我们的结果有助于更深刻地理解计算和物理原理之间的关系.

量子噪声对Shor算法的影响

Shor算法能够借助量子计算机以多项式级别复杂度解决大整数因式分解问题,从而破解一系列安全性基于大整数因式分解的加密算法,例如Rivest-Shamir-Adleman加密算法、Diffie-Hellman密钥交换协议等.由于量子测量结果是概率性的,在运行量子线路时很容易受到噪声的干扰,这将导致无法测量得到预期结果.本文分别研究了不同通道的噪声对Shor算法的影响,分别是去极化通道、状态制备与测量通道以及热退相干通道.本文模拟在噪声环境中运行Shor算法并且给出了数值结果.数值结果表明Shor算法成功分解整数的概率易受到噪声影响,其中去极化通道中的噪声能够以指数形式影响Shor算法成功分解整数的概率,其次是热退相干通道噪声,最后是状态制备与测量通道噪声,能够线性影响到Shor算法成功分解的概率.本文能够为后续纠错、改进Shor算法以及确定工程实现Shor算法所需要的保真度等提供建设性意见.

量子信息中的度量空间方法在准周期系统中的应用

得益于量子信息理论的发展,保真度、纠缠熵等概念被引入到量子相变的研究中,不仅能用来标识新奇的物质相,还能用来探测量子相变的临界点以及描绘其临界行为.从度量空间的角度来看,这些物理量都可以被理解为度量空间中两个函数的距离.本文利用波函数和实空间中密度分布函数的距离,研究了以广义Aubry-André-Harper模型为代表的准周期系统,发现该方法不仅能标识拓展相、临界相和局域相,还能找到准确的相变点并计算出临界指数.此外,不仅将度量空间方法推广到波包扩散动力学研究,还提出了一种新的量,即态密度分布函数的距离,发现上述定义的两种物理量都能标识不同的物质相及相变点.通过定义某个函数在不同参数下的距离,不仅为标识已知系统相变点提供了研究工具,还为探测未知系统的不同物质相、相变点及其临界行为提供了一种直观的方法.

超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用

在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场,这严重地削弱了量子阱的发光效率.为了减弱量子阱内的压电极化场,通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能.为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理,实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品.变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升,相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小,说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应.理论计算结果表明:在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层,可以削弱有源区量子阱内极化内建电场,减弱有源区量子阱能带倾斜,增加电子空穴波函数交叠,提高发射几率,缩短辐射复合寿命,有利于辐射复合与非辐射复合的竞争,实现更高的复合效率,从而提高发光强度.本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能,为器件的结构设计优化指明方向.

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.

近红外光调制下金刚石NV色心自旋动力学与电荷态转化研究

对金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心电子自旋态进行光学操控的过程中,近红外光是一种重要手段,对色心自旋态和电荷态布居能产生显著影响,定量研究近红外光对NV色心自旋动力学的作用具有重要意义。文章用实验测量室温下532 nm激光连续激发单个NV色心产生的荧光时间曲线,并建立七能级模型进行数值模拟,得到各自旋能级间跃迁速率;在此基础上用1040 nm激光对色心荧光时间曲线进行调制,实验数据与数值模拟结果相吻合。研究结果表明,近红外光对金刚石NV色心自旋态的影响主要体现在对电荷态转化速率的提高上,使用功率为40 mW的1040 nm激光和532 nm激光一起照射,可以将电离速率和复合速率分别提升约15倍和30倍。

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。

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.