量子通信中单光子源的制备技术专利布局及发展趋势研究

单光子是指光源激发出单光子与多光子的相对概率。一个光源每次激发出一个光子的同时,零概率激发出多个光子,这样的光源称之为理想的单光子源。当前,随着量子计算、量子密码术以及量子网络等形式的量子信息处理技术高速发展,稳定、高效、可靠的单光子源已经成为了其中一个非常关键的重要前提。在量子信息技术出现之后,就急需要一种新型的单光子源。

标记单光子源下探测器死时间的量子密钥分配

考虑到当光子传输速率过高时,量子密钥分配协议在实际应用中会受到探测器死时间的影响,因此对基于标记单光子源协议的安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系进行了探究。首先,在考虑和不考虑探测器死时间这两种情况下,探究了安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系。结果表明:当光子传输速率过高时,探测器死时间的存在的确会影响安全密钥生成速率。进一步分析了不同探测器死时间下安全密钥速率的生成情况。结果表明:探测器死时间的取值越大,得到的安全密钥生成速率就越低,安全密钥生成速率的极限值和探测器死时间τ之间的关系为4.2/τ。

基于薄膜铌酸锂的模式色散相位匹配单光子源

薄膜铌酸锂光学芯片因低损耗、高非线性系数及高电光调制带宽等特性,有望成为开展集成光学量子信息研究的理想实验平台.然而,到目前为止,基于薄膜铌酸锂的单光子源普遍采用周期性极化准相位匹配技术,该技术要求精确地制备电极并对铌酸锂波导进行周期性极化,工艺复杂且对加工精度要求较高.本文提出了一种基于模式色散相位匹配的薄膜铌酸锂单光子源器件.该器件无需制作电极,具备加工简便和集成度更高的优势,同时单光子产率可达3.8×10^(7)/(s·mW),能够满足光学量子信息处理的需求.此器件有望替代传统准相位匹配单光子源,进一步推动基于薄膜铌酸锂芯片的光学量子信息研究的发展.

光量子通信中的单光子源技术分析

近年来,光量子通信技术以爆炸式的增长速度发展,并推动了对各种新型高能单光子源技术的深入研究。在大规模光量子通信领域中,使用单光子源作为传输数据的载体已成为实现绝对稳定高速量子数据传输的理想选择。单光子源技术作为当前通信系统装置网络架构中的关键组件,具有重要意义。各种基于单光子源系统的技术方案也在被详细讨论和分析。研究结论表明,单光子源技术已经较为成熟,且具有深远持久的前景和发展空间。

基于预报单光子源的BB84诱惑态量子密钥分配研究

结合预报单光子源的量子密钥分配系统模型,介绍了三种典型的BB84诱惑态方案:主动诱惑态方案,被动诱惑态方案以及主动和被动诱惑态相结合的方案。结合数值仿真深入分析了三种方案在性能、实现难度等方面的优缺点。结论表明被动诱惑态思想可以进一步提高BB84诱惑态方案的密钥生成效率;BB84被动诱惑态方案(AYKI方案)由于无需主动制备诱惑态,所以实现最为简单,密钥分配速度快,且方案性能趋近于无穷诱惑态的理论极限值;主动和被动诱惑态相结合的方案性能虽然稍优于AYKI方案,但是改善空间很小。

单光子源和单光子探测器研究进展

在众多的量子信息方案中,光学方法是独特的,因为它们允许长距离的通信且提供量子计算新的方法。在光量子信息处理过程中,单光子源和探测器是很重要的一个方面。本文回顾了测量和产生单光子的方法,且讨论了它们在量子信息处理中的应用。

MQW EA调制器用于短脉冲光子源驱动条件的优化设计

本文分析了多量子阱电吸收调制器（MQW EAM）的非线性损耗特性,从时域和频域两个方面讨论了MQW EAM驱动条件与输出光脉冲特性的关系.数值计算结果证明EAM产生的脉冲形状比较接近Gauss脉冲,具有较小的啁啾,接近于变换限的光脉冲,十分适用于高速时分复用系统.

用于自然原子共振的应力量子调控自组装量子点单光子源

针对量子存储应用中自组装量子点发射的光子与自然原子系综波长匹配难的问题,通过金-金热压键合技术将含有量子点的纳米薄膜与压电陶瓷进行集成,制作了应力调控的能量可调量子点单光子源,实验上分别实现了对可见光波段镓砷/铝镓砷量子点和近红外波段铟镓砷/镓砷量子点单光子量子比特在9.1meV和4.2meV范围内的宽谱调控.不仅如此,应用应力量子调控技术成功将镓砷/铝镓砷量子点的发光波长调节至铷-87自然原子的D2能级跃迁波长(780nm),以及将铟镓砷/镓砷量子点的发光波长调节至钒酸钇晶体中掺杂的钕离子的4I9/2→4F3/2跃迁吸收峰共振(879.7nm).该结果为实现基于半导体量子点和自然原子系综的量子存储器提供了一种强有力的调控技术.

预报单光子源诱骗态量子密钥产生率及数值计算

独立推导预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率计算公式,讨论密钥产生率和发送端探测效率的关系;进行弱相干光和预报单光子源诱骗态量子密钥分发的最优强度估计和密钥产生率数值计算.结果表明,预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率随着发送端探测效率的增加而增加,其安全通信距离与完美单光子源的通信距离一致;诱骗态量子密钥分发可提高安全通信距离和密钥产生率;预报单光子源由于减少了暗计数的影响,进一步提高了安全通信距离.

单分子光子源光子统计的非平衡探测

研究了在H anbury-B row n-Tw iss探测方式下,非平衡探测系统对光子统计测量的影响。通过记录2个单光子计数器响应的单分子光子源输出的每一个事件,分析具有泊松统计背景的实际单分子光子源的光子统计特性,讨论并给出了非平衡探测系统的单分子光子源M andel参数。研究表明:非理想的50/50分束器、非理想的线性传输效率和非理想的探测器都会使单分子光子源M andel参数的实际测量结果小于平衡系统的M andel参数,最后给出了单分子光子源M andel参数的非理想探测的校正表达式。

量子保密通信用准单光子源的研制

量子保密通信是一种以基本粒子的量子力学性质为依据，在理论上证明是绝对安全的密钥分配技术。其绝对安全性引起了国内外的高度重视。要实现量子保密通信有两大关键技术——单光子脉冲技术和单光子探测技术．单光子是量子保密通信的基础，如果通信信道中含有两个或多个光子，则窃听者就可能截取多余的光子进行检测而不被知晓。

基于微型光学偶极阱中单个铯原子俘获与操控的852 nm触发式单光子源

基于单原子操控的单光子源具有窄带宽、可与同类原子吸收线匹配、基本不受外界环境因素的影响等特点,在量子光学基本问题研究及量子信息处理等方面具有重要价值.本文研究了强聚焦1064 nm基模高斯光束形成的光学偶极阱中铯原子6S_(1/2)|F_g=4,mF=+4>-6P_(3/2)|F_e=5,m_F=+5>循环跃迁的光频移,并在实验上进行了测量.基于共振脉冲光激发俘获在远失谐微型光学偶极阱中的单个铯原子,实验演示了10 MHz重复频率的触发式852 nm单光子源.采用基于单光子探测器的Hanbry Brown-Twiss实验系统,对单光子源的二阶相干度进行了测量,零延时处符合计数值为0.09,实验显示单光子源呈现显著的光子反群聚特性.

15 MeV~3 GeV电子加速器90°方向光子源项研究

韧致辐射光子是电子加速器屏蔽设计中的重要源项。为研究90°方向光子源项特征以及靶体半径和厚度对90°方向光子源项的影响,采用蒙特卡罗程序MCNPX2.7对15 MeV~3 GeV电子束轰击铁靶后的辐射源项进行计算。分析了90°方向光子辐射剂量、光子能谱等源项随靶厚度和半径的变化。通过与0°方向光子源项以及靶体内级联电子沉积能量进行对比,进一步分析了90°方向的光子源项特点。结果表明,90°方向光子能量主要集中在10 MeV以内,光子能谱形状与入射电子能量关系较小。受级联电子在靶内能量沉积程度及靶体对光子自吸收的共同影响,靶体半径和厚度是影响90°方向光子源项的重要因素。在电子加速器的屏蔽设计中应考虑靶体尺寸差异所带来的影响,同时建议针对束流90°方向和0°方向光子源项的差异,对加速器辐射屏蔽和防护进行优化设计。

预报单光子源下的经典-量子信息共信道同传系统研究

分析了密集波分复用下的经典-量子信息共信道同传系统噪声特性,提出基于预报单光子源的经典-量子信息共信道同传方案.与传统的弱相干光源相比,其可以更精确地控制APD探测门限,进而实现时域滤波减少信道噪声干扰;并且可以通过控制探测器开启时间,有效避免空光子发送时的信道噪声及探测器暗计数影响。仿真结果表明,本方案提出的同传系统可有效抑制噪声干扰,与弱相干光源方案相比于更远距离达到误码率阈值,提升了安全通信距离,可作为远距离量子密钥通信共信道同传参考方案。

纠缠光子源的性能模型与实验实现

量子计算是高性能计算的前沿研究方向,光子物理体系是量子计算的重要实现途径之一。在光量子计算系统中,纠缠光子源用于生成编码量子信息的光子,其性能直接影响量子比特的数量与质量。系统分析了最常用的纠缠光子源技术——基于自发参量下转换的纠缠光子源,研究了基于I型自发参量下转换纠缠多光子源的纯度、亮度的性能模型,推导出由纠缠双光子获得纠缠多光子的关键条件。同时,利用偏硼酸钡晶体器件设计实现了I型自发参量下转换纠缠双光子源,基本验证了上述性能模型。本文模型与实验结果,为在光量子计算系统中实现更多量子比特提供了理论和技术支撑。

1.55μm单光子源用Si/SiO2-InP微柱腔的鲁棒性研究

为了评估实际制备中工艺偏差对此前设计的Si/SiO2-InP微柱腔性能的影响,采用了基于有限时域差分法的模拟仿真,从工艺缺陷以及工艺误差两个角度,模拟了非理想工艺条件对Si/SiO2-InP微柱腔性能的影响。结果表明,在目前可达到的加工精度下,如椭圆因子为0.1、锥形侧壁角度为3°、尺寸误差为5%,Si/SiO2-InP微柱腔仍能保持满足应用需求的性能,证明了设计的1.55μm量子点单光子源有很高的鲁棒性。该研究为通信波段单光子源提供了切实可行的方案。

^(238)Pu低能光子源衰变γ能谱识别

利用同轴P型高纯锗探测器,对X荧光分析的^(238)Pu低能光子源进行γ能谱分析,并对^(233)Pa、^(224)Ra、^(212)Pb、^(212)Bi及^(208)Tl的特征γ射线进行分析,确定上述核素的来源。其中,^(233)Pa是生产^(238)Pu的原料237 Np的衰变产物,^(224)Ra、^(212)Pb、^(212)Bi及^(208)Tl均为生产^(238)Pu的副产物^(236)Pu的衰变子核。能量为350、440、844、1 014、1 130、1 266、1 368、1 454keV的γ射线是α粒子轰击源封装材料引起原子核库伦激发或γ射线照射周边环境引起核激发产生。进行效率刻度后,使用γ能谱法计算各放射性核素的活度,并根据放射性平衡计算各放射性核素的质量。通过对^(238)Pu源γ能谱的分析,建立计算放射性同位素活度与质量的方法。

替代^(241)Am低能光子源的准单色X射线机的研制

研究了用滤光片法产生50~60keV的准单色X射线的条件,对输出的X射线进行了数种金属滤光片实验研究,选出合适的滤光片,通过实验对准直器的机械结构进行了确定。采用自行设计委托加工的X射线管、准直器和购买的高压电源,组装成符合实验要求的X射机。该装置输出了50~60keV能量段的准单色光谱,在料位计上能替代241 Am低能光子源。

一种基于标记单光子源的态制备误差容忍量子密钥分发协议

在实际量子密钥分发系统中,由于设备、器件存在缺陷,在量子态制备过程中往往存在误差,而这些态制备误差会导致一定的系统安全性漏洞.本文在Tamaki等(Phys.Rev.A90052314)的工作基础之上,提出了一种基于标记单光子源的态制备误差容忍量子密钥分发协议.本文将发送端制备态误差进行参数刻画并带入量子密钥协议安全性分析之中,避免了实际应用中由于态制备装置的不理想可能引入的安全性漏洞,提高了系统的安全性.同时,为了方便起见,本文采用三强度诱骗态方案开展建模分析与数值仿真计算.仿真结果显示,本文提出的协议对态制备误差具有很好的鲁棒性.同时,由于标记单光子源具有真空脉冲概率低的优点,与此前基于弱相干态脉冲的同类协议相比,我们的协议在传输距离较远时能够显示出更优的性能.因而,该工作有望为未来发展长距离量子保密通信应用与研究提供重要的参考价值.

基于掺铒光纤的单光子源

为研究具有稳定性、不可分辨性高的单光子源,提出了基于掺铒光纤的单光子源。搭建了基于掺铒光纤光子数统计规律的实验系统,实验研究表明掺铒光纤的光子数统计规律与普通激光脉冲光子数具有相似的统计特性。