粒子布局数反转在非经典量子系统中的分析

本文主要研究了特殊中间态场NCS态和Glauber-Lanchs态光场分别与Λ型三能级原子构建的新量子场态模型。通过全量子理论,确定了系统态矢并求解分析了全新量子系统的粒子布局数反转的量子特性。利用函数和概率差的方法,得到了系统粒子布局数反转的表达式结果。研究发现,调节热平均光子数n、跃迁光子数和原子初态参量对系统的粒子布局数反转特性有影响,以上参量的变化可以改变系统粒子布局数反转的周期性大小及振动幅度高低,该结果可以为量子信息的理论创新和试验模拟提供有力的理论参考。

频率可调谐的双偏振非对称传输器件

为了研究太赫兹超构材料的可调谐非对称传输特性,本文基于相变原理提出一种类S型的双层结构,采用有限积分算法求解其偏振传输特性。利用温度调控二氧化钒的相变特性,实现了频率可调谐的双偏振非对称传输效应。在宽角度入射范围内,45°线偏振光的非对称传输特性保持着较高的工作效率,倾斜入射角为60°时,效率优于0.4,且绝缘态和金属态下的谐振频率几乎保持不变,谐振频率的可调谐度为16.3%。本文所提出的频率可调谐双偏振非对称传输器件在偏振调控、太赫兹通信和太赫兹芯片领域具有潜在的应用前景。

具有尖锐吸收截面和显著增强电场的等离激元-光子混合谐振腔

研究了由二维光子晶体微腔和金纳米天线组成的等离激元-光子混合谐振腔中光学谐振腔对等离激元谐振腔的额外贡献。研究结果表明:与纯等离激元谐振腔相比,混合体系的吸收截面和电场强度均明显增强。特别地,混合谐振腔的吸收截面谱呈现出类Fano线形和尖峰,可以通过改变金纳米天线的数量或金纳米天线与光子晶体微腔之间的共振波长失谐进行调制。此外,混合谐振腔的电场增强因子比金纳米天线高出3个数量级。可为光热探测和光谱增强研究提供新的平台。

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.

用数字示波器探究光磁共振实验中反常共振信号的机理

本文根据拟合得到的gF因子大小,确定了光磁共振实验中的反常共振信号;用数字示波器测量了反常共振射频信号的频谱,计算了反常共振射频信号各高次谐波的大小;通过线性拟合,得到了正常共振信号幅度与射频信号幅度的关系。利用此关系,计算了各高次谐波产生的反常共振信号大小,计算结果与测量值基本一致。频率计连接射频信号源后,射频信号波形和频谱发生明显变化,反常共振信号随着射频信号频谱的变化发生相应改变,进一步证明了反常共振信号由射频信号的高次谐波共振所引起。这些结果表明,用数字示波器探究光磁共振实验中反常共振信号的机理不仅可行,还能定量估算和预测射频信号波形对反常共振信号大小的影响。

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。

利用太赫兹圆二色性识别手性物质

不同手性的生物分子具有不同甚至相反的生物和药理活性。由于很多生物大分子的振动和转动能级分布在太赫兹波段,使得太赫兹波谱技术成为生物大分子识别的有效手段,但是太赫兹时域光谱系统都采用线偏振光源,无法对手性分子进行有效识别。我们在理论上利用线偏振的琼斯矩阵模型合成圆偏振下的琼斯矩阵,根据圆偏光的透射率差异性进一步计算样品的透射圆二色光谱,为表征不同手性分子提供了一种有效方法。基于透射式太赫兹时域光谱系统,对(R)-(-)-Ibuprofen和(S)-(+)-Ibuprofen的光谱进行测试,计算了(R)-(-)-Ibuprofen和(S)-(+)-Ibuprofen的线偏透过率和圆偏透过率;并计算出透射性圆二色光谱,两种手性物质的圆二色性值达到0.015,有效地实现了对(R)-(-)-Ibuprofen和(S)-(+)-Ibuprofen的识别效果。这一方法为利用太赫兹光谱技术检测和识别手性分子提供了参考。

Dzyaloshinskii-Moriya相互作用下Ising模型的线性熵测不准关系

以Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用下两比特Ising模型为研究对象,研究了耦合强度、DM相互作用和环境温度对该自旋模型中的线性熵测不准关系(entropy uncertainty relation,EUR)的影响,同时分析了系统热纠缠随环境温度的变化,并将热纠缠与线性熵测不准关系做了对比.研究表明,系统线性熵不确定度、热纠缠的变化趋势取决于环境参数的选择,且二者整体演化行为近似反相关.此外,对一组完备的互无偏基在选择不同测量基组合情况下,测不准关系的下界会随着测量基个数的不同而变化;而且这种线性熵测不准关系在特殊条件下可化为等式,其下界与具体观测量选取无关.与以往量子存储辅助熵测不准关系相比,线性熵测不准关系可为精密测量提供有益的参考.

记忆泡利信道下Bell态的几何失协

几何失协是度量量子关联的一种重要方法.通过引入记忆参数,使得泡利噪声具有记忆性,此时噪声被定义为记忆泡利噪声.依据不同记忆泡利信道的噪声参数,讨论xz退相位噪声、去极化噪声、双泡利噪声以及3种翻转噪声下Bell态的几何失协,得到Bell态的几何失协与噪声参数之间的关系,并且分析记忆参数对几何失协的影响.结果表明,在记忆泡利信道下Bell态的几何失协受到噪声影响的程度更小,即记忆泡利信道可有效增强噪声影响下Bell态几何失协的稳定性.这表明记忆泡利信道可以捕获更多的信息,有利于节约量子资源.

三格点自旋链上单比特信息传输的精确调控

引入解析求解的方法,研究格点数为3的自旋链上单比特量子信息的完美传输.在给自旋链施加格点间逐差变化的磁场后,求解出了该磁场对单比特信息完美传输所产生影响的精确解.得出结论:此磁场会对实现信息完美传输的时间条件产生至关重要的影响,该条件不再仅取决于自旋链系统自身的物理属性,且仍然与链上格点的数目无关;可根据传输需要,利用合理设置的磁场控制单比特信息完美传输的时间条件.

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.

基于增益腔的腔磁力混合系统中的光放大和快慢光传播

为了在腔磁力系统中实现可控的磁子诱导透明、磁力诱导透明、光放大以及快慢光传播,建立了一个腔磁力混合系统模型.该模型由含有1个钇铁石榴石(YIG)球的增益腔组成.该模型利用强驱动来驱动YIG球,利用弱探测场探测微波腔.研究表明,通过选取最优增益和调节腔-磁耦合强度、磁-力耦合强度可以实现可控的磁子诱导透明、磁力诱导透明、光放大以及快慢光传播.该研究结果可为量子信息操纵、量子信息存储和灵敏光开关的研究提供参考.

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.

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。

基于相对熵与斜信息部分相干度量的量子态序

相干度量是描述量子相干性的重要数学工具,从不同的角度去研究不同的相干度量对研究量子相干性有很大的帮助。因此,以两量子比特纯态以及2种特殊的Bell对角态(Werner态和MNMS态)为研究对象,对其在相对熵部分相干和斜信息部分相干上相干值的大小进行比较,可以发现相对熵部分相干和斜信息部分相干度量对于以上所提出的3类特殊的两比特量子态都有相同的量子态序。

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。

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.