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230 篇 学位论文
222 篇 期刊文献
60 篇 会议
18 篇 成果

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学科分类号

415 篇 工学
- 110 篇 光学工程
- 108 篇 电子科学与技术（可...
- 89 篇 计算机科学与技术...
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- 33 篇 信息与通信工程
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- 28 篇 控制科学与工程
- 17 篇 机械工程
- 14 篇 化学工程与技术
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- 4 篇 电气工程
- 3 篇 建筑学
- 3 篇 土木工程
- 3 篇 兵器科学与技术
- 3 篇 生物医学工程（可授...
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303 篇 理学
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- 56 篇 军队指挥学
34 篇 管理学
- 33 篇 管理科学与工程(可...
3 篇 经济学
- 2 篇 应用经济学
3 篇 医学
2 篇 教育学
2 篇 艺术学
1 篇 文学
1 篇 历史学

主题

25 篇 量子密钥分发
24 篇 量子计算
22 篇 量子纠缠
18 篇 量子信息
17 篇 量子通信
17 篇 量子密码
14 篇 量子模拟
13 篇 量子网络
11 篇 量子信息处理
10 篇 轨道角动量
9 篇 纠缠态
8 篇 单光子源
8 篇 量子密钥分配
8 篇 自发参量下转换
8 篇 量子点
7 篇 开放量子系统
7 篇 核磁共振
7 篇 量子隐形传态
7 篇 量子存储
6 篇 多光子纠缠

机构

197 篇 中国科学技术大学
65 篇 中国科学院大学
14 篇 北京邮电大学
13 篇 清华大学
11 篇 中国科学院上海微...
9 篇 中国科学院上海微...
9 篇 西安电子科技大学
8 篇 东南大学
8 篇 曲阜师范大学
7 篇 青海民族大学
7 篇 山西大学
6 篇 北京交通大学
6 篇 南京大学
6 篇 上海交通大学
6 篇 中国海洋大学
6 篇 中国科学院信息工...
6 篇 中国科技大学
5 篇 福建师范大学
5 篇 北京电子科技学院
5 篇 华东师范大学

作者

13 篇 龚谦
12 篇 王海龙
10 篇 郭光灿
10 篇 gong qian
7 篇 贾国庆
6 篇 尤立星
5 篇 温巧燕
5 篇 jia guoqing
5 篇 wang hai-long
5 篇 wang hailong
4 篇 薛国强
4 篇 周建钦
4 篇 林秀
4 篇 you li-xing
4 篇 胡学龙
4 篇 杨宇光
3 篇 俞重远
3 篇 卢晓春
3 篇 张亮
3 篇 封松林

语言

530 篇 中文

检索条件"机构=中国科学技术大学物理系和量子通信与量子计算开放实验室!合肥"

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排序：

多模式自旋波可集成固态量子存储器

多模式自旋波可集成固态量子存储器

引用

作者：苏明煦中国科学技术大学

学位级别：博士

光量子存储器是一种能够存储光量子比特并在特定时间将其释放的器件。它能解决长距离量子通信过程中的信道损耗问题,帮助实现分布式量子计算和分布式量子测量,是构建量子网络中不可或缺的核心器件。目前,量子存储正朝着多模式、可集成... 详细信息

光量子存储器是一种能够存储光量子比特并在特定时间将其释放的器件。它能解决长距离量子通信过程中的信道损耗问题,帮助实现分布式量子计算和分布式量子测量,是构建量子网络中不可或缺的核心器件。目前,量子存储正朝着多模式、可集成、长寿命的方向发展。光量子存储已经在单个原子、原子系综,稀土离子掺杂晶体等多个物理体系中完成了演示。其中稀土离子掺杂晶体具有存储带宽大,支持多模式存储的优势。飞秒激光微加工作为一种具有三维加工能力的非接触式微纳加工技术,十分适合在稀土离子掺杂晶体中加工波导来实现可集成量子存储。自旋波量子存储协议可以利用稀土离子掺杂晶体自旋相干寿命长的优势来实现长寿命存储和按需读取。目前,可集成自旋波存储器还停留在存储相干光的阶段,这主要是由于自旋波存储协议中控制光带来的噪声较大,量子存储的信噪比受到限制。将可集成自旋波相干光存储器推进到量子水平,并进一步利用自旋波存储的优势实现长寿命存储,是领域研究的趋势,也是本人在博士期间的研究目标。本论文包括了作者在攻读博士学位期间取得的如下主要研究成果: 1.多模式的自旋波可集成光存储器量子存储器的多模式存储能力能够提高量子通信速率。在151Eu3+:Y2SiO5晶体中已经观察到六小时自旋相干时间,是进行自旋波存储的优良介质。在151Eu3+:Y2SiO5晶体中以往存储实验的存储带宽通常都小于5 MHz,这限制了存储器的多模式能力。在本工作中,我们设计了宽带存储方案,将151Eu3+:Y2SiO5晶体的存储带宽提升到11 MHz。由于该存储方案需要比之前工作中更大的控制光功率,因此我们使用飞秒激光微加工技术在晶体上制造了片上波导来增强光与物质相互作用。该波导的插入损耗仅为0.2dB。基于该片上波导,我们进行了宽带多模式存储实验。通过应用原子频率梳协议,我们成功展示了在50 μs的固定存储时间情况下,200个时间模式的光存储;应用自旋波原子频率梳协议,我们展示了 100个时间模式,存储时间为51.5 μs的按需读取相干光存储。 2.自旋波可集成量子存储器自旋波存储能够实现长寿命存储,并且是支持按需读取的量子存储协议,这对量子存储器在量子中继等领域的实际应用有重要意义。此前,集成光量子存储器的演示都限于在光学激发态中存储,而所有的可集成自旋波存储器都停留在存储相干光阶段,这是因为自旋波存储协议需要极强的控制光来实现光学相干到自旋相干的转移,这会带来极强的相干噪声。为了解决噪声问题,我们在151Eu3+:Y2SiO5晶体上加工支持两种偏振的Ⅲ型波导来实现偏振滤波,再结合时间域、空间域、频率域的多种滤波手段,成功实现了可集成的自旋波量子存储器的实验演示。我们使用两种自旋波存储协议演示了单光子级别输入的量子存储。在此基础上,我们基于无噪声光子回波协议演示了 time-bin量子比特存储,存储器保真度高达94.9±1.2%,远超过任何经典设备可以达到的最大保真度。 3.长寿命可集成自旋波量子存储器实验系统的搭建对于量子存储器的实际应用,例如长距离的量子中继器,存储时间需要达到几十甚至几百毫秒;对于实现可移动量子存储器的目标而言,需要小时量级的存储时间和可移动的系统。在解决了可集成自旋波量子存储的信噪比问题后,我们希望借助于动力学解耦和零一阶塞曼效应磁场等相干保护技术来实现长寿命可集成量子存储。为此,我们制造了共面电波导用于动力学解耦,开发了自动化软件以便于对准零一阶塞曼效应磁场的方向。同时,搭建了两套分别适配不同磁体的光电集成低温实验系统。基于这套实验系统,我们观察到了 55 s的自旋相干时间,证明其可以用于长寿命可集成自旋波量子存储实验。

关键词：量子网络量子存储飞秒激光微加工光波导稀土离子掺杂晶体

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量子集成光学芯片器件的研究

量子集成光学芯片器件的研究

引用

作者：邹长铃中国科学技术大学

学位级别：博士

在传统的电子集成芯片领域,纳米加工技术、量子隧穿效应、功耗和散热等方面制约着基于电子芯片的信息技术的进一步发展。量子信息科学应运而生,基于量子态的叠加原理、量子不可克隆原理和量子精密测量、有望实现高效的量子计算、高速而... 详细信息

在传统的电子集成芯片领域,纳米加工技术、量子隧穿效应、功耗和散热等方面制约着基于电子芯片的信息技术的进一步发展。量子信息科学应运而生,基于量子态的叠加原理、量子不可克隆原理和量子精密测量、有望实现高效的量子计算、高速而安全的量子信息传输,并能够突破经典噪声和不确定性原理的限制实现更加精确的测量。经过近三十的努力,量子信息在很多物理体系中取得了卓有成效的进展,包括电子和空穴自旋、核自旋、光子、机械振子、超导约瑟芬结、原子和离子阱。其中,光子具有多重自由度、室温环境下的退相干小、信息传输速率高以及技术成熟等多方面的优势,因此人们已经在基于光子的量子态的量子信息处理方面取得了众多突破性的进展。然而,传统光学元件尺寸较大并且光路受到环境温度、气流和振动的影响非常大,限制了光子量子信息处理的进一步扩展。在集成光学芯片上,固态介质组成的光学元件和光路性能稳定、能耗更小可扩展性强,因而是光子量子信息处理的必然发展趋势。本论文致力于研究集成光学芯片上的量子信息处理。一方面,研究各种集成光学元件的基本性质,与实验结合设计各种新的器件,并开发新的材料和物理体系来提高器件的性能,从而实现对量子态的制备和操控。另外一方面,光的传播可以类比量子态的演化,因而赋予集成芯片的光学研究新的内涵和物理,可以利用集成光学芯片模拟量子模型或者基于量子力学原理设计新颖的集成光学元件。本论文具体的研究内容包括以下几个方面： 1.集成光学芯片器件基本性质集成光学芯片上最基本的组成部分是光子的载体,即波导和微谐振腔。波导可以传输光子,连接不同的集成器件;谐振腔可以局域光子,增强光子与物质的相互作用,基于两者可以实现各种不同功能的光学器件。我们研究小组深入研究了各种波导结构和回音壁模式微谐振腔的基本性质。结合过去几年我们小组的实验进展,本论文详细介绍了回音壁模式光学微腔的基本性质、实际的材料和制备方法。本人在理论上研究了回音壁模式的耦合模式理论,研究了其与近场波导的平行和垂直耦合,对实验中的回音壁模式的高效激发和收集提供理论支持。为了避免在低温腔内进行实验时对微腔近场操控的限制,本人还研究了非对称的回音壁模式微腔的方向性发射。首次给出高Q单向性发射的回音壁模式的基本原理,并基于此设计和优化了实用的方向性发射微腔。另外还首次给出远场激发回音壁模式微腔的自洽理论,为自由空间耦合高Q回音壁模式微腔提供理论指导。 2.集成芯片上光子与二能级体系相互作用二能级原子是最简单的量子体系,利用光子与其作用,可以实现单光子光源、原子媒介的光子光子相互作用以及光子媒介的原子原子相互作用,从而用于量子纠缠、量子态的制备和存储等应用。我们小组致力于实现固态量子点和微腔的强耦合实验,希望基于此构造固态量子信息处理器。因此,本人开展了这个方面的理论研究。在波导和回音壁模式微腔附近,由于局部的电磁场模式密度的改变会造成原子自发辐射速率的改变。基于此,我们提出利用纳米光纤和表面等离子体的复合结构,实现高效的单光子源。实验上已经观测到了回音壁模式腔对量子点荧光寿命的调制效应。我们提出了各种改进的实验方案来帮助解决在单个量子点和回音壁模式微腔的强耦合实验中遇到的一些困难。例如,通过用混杂有量子点的聚合物包裹微腔表面,可以实现更加高效和稳定的强耦合。 3.光与机械相互作用本人将机械振子这样一个新的元素引入到集成光学芯片上,从而实现更多实用的光学器件和量子信息处理。光机械作用的一个特点就是任意波长的光子携带的动量都可以转移到机械体系上,光与机械相互作用无需频率共振。本人的研究包括两个方面：(1)用经典的光力控制机械振子的运动从而实现对光路的调制。在集成芯片上,微纳结构的质量和弹性系数非常小而更容易变形,利用波导和微腔对光的束缚,可以在输入光能量很小的情况下调节机械振子的状态。利用这种光机械相互作用使得光与光间接地相互作用,可以实现相位和能量的调制器,具有全光特性和低功耗的优势。(2)利用简谐振子的量子态实现量子信息处理,包括量子纠缠和光子频率转换等。我们首次提出了一种室温下实现光机械量子纠缠的实验体系。该体系由一个高机械品质因子(Qm)的机械谐振子和高光学品质因子(Qo)的微盘腔组成,均由Si3N4材料制备,与其它光学集成器件兼容。在这个体系中,如果固定其他参数不变,纠缠只与温度和机械Qm的比值有关,也就是说Qm越高,量子纠缠就能在越高的温度下存在。机械体系其独有的性质有望在集成光学芯片量子信息处理中发挥重要的作用。 4.集成光学量子模拟利用集成光学芯片,可以构造特定的结构来模拟和类比其他物理体系,实现对某些量子物理问题的模拟研究。本人利用集成光学芯片模拟了量子开放体系,并研究了系统与环境相互作用的马尔科夫、非马尔科夫动力学过程。通过直接观测电磁场的能量分布和演化,可以直观的理解系统与环境相互作用的内

关键词：集成光学波导回音壁模式量子信息处理量子模拟腔量子电动力学光机械

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基于核磁共振系统的量子算法与量子控制：理论与实验研究

基于核磁共振系统的量子算法与量子控制：理论与实验研究

引用

作者：李俊中国科学技术大学

学位级别：博士

应用量子力学原理构建计算机器使人们对计算科学的理解发生了巨大的变化,也对微观量子世界的可操控特性产生了极大的兴趣. 从计算的角度看,人们认为量子计算机与经典计算机（主要是Turing机模型）相比具有本质上的优越性,其中最重要... 详细信息

应用量子力学原理构建计算机器使人们对计算科学的理解发生了巨大的变化,也对微观量子世界的可操控特性产生了极大的兴趣. 从计算的角度看,人们认为量子计算机与经典计算机（主要是Turing机模型）相比具有本质上的优越性,其中最重要的是对于一些经典上的困难问题,量子算法有可能提供更高的效率,有时甚至是指数加速的.目前已经发展出的量子算法技术大部分是解决一些重要的数论以及代数问题的.理解量子算法是如何提供运算加速是量子计算领域最重大的挑战之一.而由于已知的量子算法还比较少,且绝大部分都可归入隐子群问题类,因此寻找新类型的量子算法就成了十分有意义的一个方向. 另一方面,从控制的角度看,建造量子计算机当前最核心的问题是如何在实验物理体系下实现大规模量子计算.在量子信息科学的快速发展的背景下,精密操控微观世界（比如原子、光子、核、电子、离子等实验体系）愈显其重要性,这促使人们去发展量子系统的控制论.量子控制的目标就是在有环境影响的情况下设计控制方法去高精度地完成特定控制任务.规模化的量子计算要求在时间上尽可能抑制退相干效应、在空间上尽可能在更多比特数目体系上去实现更复杂的量子网络.因此在核磁共振实验体系中,特别关键的挑战就在于如何应用控制论的思想方法去：（i）在有弛豫效应、控制不完美等噪声影响的自旋系综中,实现包括量子态的制备与保持、高保真度量子门操作等重要量子信息处理任务;（ii）在更多比特数的自旋体系上实现复杂的量子线路. 基于这样的研究背景,本文围绕量子算法与核磁共振量子控制,介绍本人在攻读博士学位期间进行的一些理论、实验与数值计算方面的工作：（1）.在第一部分提出了新的有效量子算法.该算法能够在多项式时间内解决square-freeness判定问题和square-free分解问题.而这两个数论问题与整数分解问题类似,至今人们还没有找到有效的经典算法.我们通过详细分析Gauss sum的求和公式,发现了其与square-free性质的巧妙联系.基于此我们构建了有效的Gauss sum量子算法,还给出了实现整个算法的量子线路构造.我们发现：（i）虽然Shor算法也能够对所考虑的数论问题提供多项式加速的解决,但Gauss sum算法具有更高的计算效率;（ii）虽然Gauss sum算法应用了量子Fourier变换,但它并不属于通常熟悉的隐子群问题量子算法类别.因此我们的工作丰富了量子计算的算法库,对探索量子计算机器的计算潜力具有重要的研究价值. （2）.在第二部分主要从开放量子动力学控制的角度研究核自旋系综的相干调控.我们分析了受控的Markovian量子动力学（由Lindblad方程描述）的系统可达状态集的界的问题.可达集的刻划只在单比特的情形有成熟的结论,而在多比特情形仍然是困难的问题.我们的方式是通过考察相干控制下系统纯度函数的动力学演化,以其上界来界定系统可达状态集.进一步,我们以核磁共振体系为实验手段,测试具体的样品的弛豫参数、建立弛豫演化方程并设计相干控制方案,然后根据纯度界分析的结果（i）发现Overhauser实验提供了比封闭控制手段更高的极化转移效率;（ii）实现了更高强度的赝纯态制备.我们的工作表明,对于开放系统的一些重要控制任务,环境影响（在核磁体系即弛豫效应）并不总是有害的,相反如果加以利用还可能实现更高的控制性能指标. （3）.在附录C中,还介绍了在比特数较多（≈6—12）的样品上的脉冲编译程序改进工作.脉冲设计是核磁多比特量子计算实验的关键难题之一.我们在加拿大滑铁卢大学量子计算研究所Raymond Laflamme小组的pulse compiler程序的基础上进行改进,完成了7、12比特样品上的初态（赝纯态）制备的数值计算.该工作对朝向更大比特数的核磁量子计算具有十分实用的技术意义.

关键词：量子计算量子算法计算模型核磁共振量子控制

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太阳能利用中的热物理基础理论及实验研究

太阳能利用中的热物理基础理论及实验研究

引用

作者：王刚中国科学技术大学

学位级别：博士

由于人类社会发展及环境保护的需求,寻求可再生而洁净新能源取代有限的且污染环境的矿物燃料是全世界急迫和重要的课题。太阳能作为最丰富、最洁净的永久的能源,其高效利用和低成本地转换成电能,是当今研究的热点。太阳能传递和与接收... 详细信息

由于人类社会发展及环境保护的需求,寻求可再生而洁净新能源取代有限的且污染环境的矿物燃料是全世界急迫和重要的课题。太阳能作为最丰富、最洁净的永久的能源,其高效利用和低成本地转换成电能,是当今研究的热点。太阳能传递和与接收器之间的能量转换过程,均是在开放的非平衡状态下进行的,而现有的经典辐射热力学是建立在平衡态空腔光子气模型的基础上,难以直接应用；另外现有的光热利用、光电利用或光电-热综合利用大多停留在以能量守恒定律来进行分析评价的层次,尚未系统地以热力学第二定律结合光谱特性进行太阳能利用分析和研究。因此有必要开展太阳能利用中的热物理基础理论研究,包括光谱有效能的表征,熵参数描述,开放系、非平衡态的太阳辐射能传递、转换过程的辐射热力学体系构建,辐射能与物质界面的光热、光电量子作用的机理探讨等。在此基础上提出科学利用太阳能的方法并进行相关实验研究。本文在本课题组工作的基础上,主要的研究工作如下：首先利用非平衡态辐射热力学的基础理论,对非平衡态辐射场,特别是对太阳能辐射接收器入口处的辐射能状态进行了描述和表征,区分了太阳辐射能在光热作用时显示宏观平均能量特性,和在光伏、光化作用时显示量子特性的两重性特点。根据太阳辐射能在传递中因为扩散性产生的能流密度降低和辐射流的光谱频率组成与太阳表面辐射相同的特点,计算了地面接收的太阳辐射能在热利用时比太阳表面辐射能降低的品位和熵增,确定了在光伏、光化作用时地面和太阳表面光谱辐射量子特性相同。其次,研究太阳辐射能与物质作用的能量转换机理和增强措施。从研究和修正光与物质作用的机理入手,提出光子波模型假设,对光子波与物质中存在的原子核-原子核和原子核-电子两种简谐振子之间的作用过程进行了分析,结果与用经典波动理论分析得到的结果是一致的,一定程度上说明了光子波模型的正确性。光子波驱动力与物质表面层的分子、声子、原子核-电子简谐振子的频率不同,表现出不同光谱辐射的热作用和量子作用的不同机制,分子和声子吸收辐射能主要把辐射能转换为物质的热能,光与物质量子作用,辐射能激发物质内部的电子跃迁,辐射能转换为电能并伴随有热能。对影响半导体材料型的太阳辐射接收器的吸收系数和反射率等参数进行了详细分析,结果表明,拥有较小共振跃迁频率、较小能带隙和较大阻尼系数的半导体材料对有效太阳辐射的吸收率更高。在此基础上,为提高光电转换效率,又利用光子波与物质作用模型,对单晶硅太阳电池表面镀膜材料光学性质进行了分析；又采用在太阳电池表面构造了多种不同形状,规则的、不规则的、有序的、无序的微结构表面,比较了它们对太阳辐射能吸收率的差别,结果显示,无序的表面微结构相对有序的表面微结构更利于太阳电池吸收率的提高；使用Needle法对用于光伏发电的光谱选择性透过涂层进行了分析和优化设计。为了提高太阳辐射能的整体利用率,提出了两级透射-反射聚光分频电热联产系统的方案,分析了利用线聚焦菲涅耳透镜、光谱选择性透过涂层和太阳能集热管等部件构成的电热联产系统的光学行为和效率,计算结果表明,作者提出的系统,太阳能利用率高于相同条件下传统的太阳能聚光光伏系统,并有结构简单,成本低廉,易于生产的优势。最后,为了改善传统聚光系统在太阳能光电池接收面上照射的光强不一致,降低光伏转换效率的问题,设计了等光强带聚焦菲涅耳透镜聚光器和折平板等光强反射聚光器。理论上,利用蒙特卡罗光线追迹法,对两种聚光器进行了考虑太阳辐射夹角的光学模拟,并对聚光器的结构参数对聚光效果的影响进行了分析,证明所设计的聚光器聚光均匀性都很好；实验上,在太阳双轴跟踪装置上安装了折平板等光强反射聚光光伏系统,采用CCD法对实验中折平板聚光器的聚光效果进行了测量,并对此条件下太阳电池单体和组件的伏安特性曲线进行了测试；实验结果与理论分析结果都符合得很好,系统中太阳电池单体和组件的光电转换效率均大于相同条件下半槽式抛物面聚光光伏系统中的太阳电池效率。折平板等光强聚光器的生产成本较低,便于加工,适用于中低倍数的太阳能聚光光伏系统中。

关键词：太阳能辐射传热光与物质的作用光伏电热联产均匀聚光分频光谱选择性涂层菲涅耳透镜光学分析

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高维量子非局域性实验研究

高维量子非局域性实验研究

引用

作者：张超中国科学技术大学

学位级别：博士

量子技术是一项具有战略性的前沿科技,它基于量子力学的基本原理,在通信、计算、模拟及计量等关键领域展现出了无可比拟的潜力。量子技术的进步不仅在国防安全上扮演着核心角色,更是经济增长和社会进步的重要驱动力。与量子计算中对大... 详细信息

量子技术是一项具有战略性的前沿科技,它基于量子力学的基本原理,在通信、计算、模拟及计量等关键领域展现出了无可比拟的潜力。量子技术的进步不仅在国防安全上扮演着核心角色,更是经济增长和社会进步的重要驱动力。与量子计算中对大规模量子态的制备和精细调控相比,量子通信通过与现有基础设施的整合,提供了一种更为安全的通信手段,是目前最有可能率先实现的量子技术应用。而量子非局域性是实现真随机数产生、量子密钥分发等关键量子信息技术的重要资源。量子非局域性,作为非定域物理系统间的一种非经典关联,涵盖了量子纠缠、量子导引和Bell非局域性这三个层级结构。对量子非局域性的检验和操控转换对于实现量子信息技术至关重要。随着研究的深入,物理系统也从二维扩展到了高维,并发现高维系统可以为量子通信带来更高的信道容量、更安全的通信等优势。因此,如何在实验中检验高维量子非局域性以及如何高效利用高维量子资源是当前研究的热点。虽然理论上已经提出了不同层级高维非局域性检验的判据,但实验系统中的损耗、退相干以及其他噪声因素使得高维量子非局域性的检验变得及其困难。高维量子非局域性也是随机数生成器和量子密钥分发等关键量子信息技术的重要资源,相比二维量子非局域性资源具有明显的优势。因此,高维量子非局域性资源与量子任务效果之间的量化关系也至关重要,这有助于我们更高效地利用这些资源。此外,研究如何高效操作和转换量子非局域性资源也能在相关任务中取得更佳效果。除了常规的经典通信和局域操作(LOCC)、量子门操作等,量子催化作为一种强大的操作手段,能够在不违反物理定律的前提下,实现类似化学催化剂的效果,突破障碍完成量子态之间的转换。然而,实验噪声的存在使得量子催化的实验验证变得困难。因此,本文首先利用不对称性资源,在实验中研究了量子催化过程中如何处理实验噪声,为量子态的催化转换研究奠定了坚实的基础。考虑到光子在城际光纤中的传输效率以及与环境的弱相互作用等优势,本文将聚焦于光子系统,探讨高维Bell非局域性的实验检验、Bell非局域性与随机性之间的量化关系、不对称高维量子导引,以及如何利用量子催化放大不对称性资源。本文的主要创新点和结果如下: 1.无探测漏洞的高维Bell非局域性实验检验。通过精心设计参量下转换过程中的泵浦模式和耦合模式,我们成功搭建了一个高效率的四维路径纠缠源,其探测效率达到了 71.7%,同时制备出的纠缠态保真度高达0.995±0.001。在确保无探测漏洞的条件下,我们完成了对四维Bell非局域性的实验检验。纠缠源的波长位于通信波段(1550 nm),结合多芯光纤技术进行纠缠分发,为实现无漏洞的高维Bell非局域性检验和高维设备无关的量子信息技术奠定了坚实基础。创新点:首次实验构建了高保真度、高效率高维路径纠缠源;首次在实验上完成了无探测漏洞的高维Bell非局域性检验。 2.基于多输入多出口 Bell不等式的违背量认证系统随机性。Bell非局域性与系统随机性之间的量化关系是量子信息领域的关键研究课题。我们首次证明了任何两输入Bell不等式的违背是认证系统随机性的充分必要条件。然而,随着Bell不等式的输入数量增加,这种充分性不再成立,即存在可以违背Bell不等式但不具备系统随机性的量子态。我们在光子系统中实验观测了多种Bell不等式的违背,并证明了输入和输出数量的增加能够有效提升随机数生成的速率。这项工作不仅深化了我们对Bell非局域性和随机性关系的理解,而且在提高设备无关随机数生成等任务的性能方面具有重要意义。创新点:首次证明两输入Bell不等式的违背是认证系统随机性的充分必要条件,而多输入Bell不等式违背时系统不一定有随机性;实验上利用多种类型的Bell不等式检验量子态的Bell非局域性,并认证系统的随机性,证明高维系统的优势。 3.不对称高维量子导引结构的观测。先前的研究主要关注对称型高维量子导引或二维系统中的单向量子导引。在此,我们采用导引方向上的施密特数来量化导引能力,并提出真高维单向导引的概念以及判定施密特数上下界的标准。在实验中,我们制备了高保真度的两体三维混合纠缠态,并利用这些标准揭示了三维量子导引的不对称结构,例如,Alice导引Bob的施密特数为3,而Bob导引Alice的施密特数为2。这项工作展示了高维系统中量子导引结构的丰富性,并展示其在单向量子密钥分发、量子不对称加密等不对称高维量子信息任务中的潜在应用价值。创新点:首次提出真高维单向导引的定义,并提供了导引结构的判据;在实验上制备高保真度三维混合纠缠态,检验其导引结构。 4.实验催化放大不对称资源。量子催化在纠缠态转换、量子隐形传态等任务展现出了强大的潜力,但是其实验实现受到实验噪声的严峻挑战。我们以不对称资源的转换为例,演示了如何在量子催化过程中处理实验噪声。实验噪

关键词：量子非局域性量子纠缠量子导引 Bell非局域性量子催化不对称性资源

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量子模拟和纠缠证据的相关研究

量子模拟和纠缠证据的相关研究

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作者：徐枫中国科学技术大学

学位级别：博士

量子理论与现代信息科学、计算科学的结合产生了一门新兴交叉学科——量子信息与量子计算。它从诞生发展至今，显示出日益蓬勃的生命力，这一新兴交叉学科还在继续生长出新的研究热点，越来越引人瞩目。量子信息与计算科学在基础科学研... 详细信息

量子理论与现代信息科学、计算科学的结合产生了一门新兴交叉学科——量子信息与量子计算。它从诞生发展至今，显示出日益蓬勃的生命力，这一新兴交叉学科还在继续生长出新的研究热点，越来越引人瞩目。量子信息与计算科学在基础科学研究方面有着深远的意义，它的目标之一就是增进人们对量子力学基础的理解；随着实验技术的发展，量子信息与量子计算研究从最初的学术兴趣对象，变成对计算机科学、密码技术、通信技术以及国家安全、商业应用都有潜在重大影响的领域，引起了国内外的广泛关注。发展量子信息学的一个重要目的就是实现量子计算机，而量子计算机的重要用途之一是进行量子模拟。量子模拟是指在量子计算机上模拟复杂物理体系的演化过程，它可以看成在物理系统中用有限的可实现的量子操作组合成特殊的“量子计算机”来模拟相关的量子体系演化。自从上世纪80年代Feynman提出量子模拟的设想，即一个可以控制的量子体系有能力并且能更有效的解决一些经典计算机所不能胜任的任务，直到本世纪初这种量子模拟的设想才在实验上被证实是可行的。实现量子模拟需要解决两个问题：一是量子计算机模拟物理体系演化的有效性问题，二是如何通过模拟获得需要的物理量的信息。其中获取需要的物理量信息通过被模拟和模拟参量之间的映射来实现，我们在本文第二章对这个问题作了一些研究，并讨论了量子模拟BCS哈密顿量的理论依据。应用自旋类比的想法，将动力学问题映射到Fock空间的一个子空间来解决。我们找到并证明了自旋类比前后物理参量的映射关系，进一步利用该关系数值计算了超导能隙，其结果与能隙方程的结果符合很好。我们的工作建立了量子模拟计算元激发谱和超导能隙问题的可行性的理论依据，同时给出了后来我们研究小组进行的2-qubit NMR体系模拟BCS哈密顿量的实验的物理意义。量子信息处理任务总是要在实际的可规模化的量子系统中实现。目前来看，大规模的量子信息处理系统最有可能与固体或凝聚态系统相关，因为这样的系统才有可能提供足够数目的量子比特资源。定性和定量了解量子多体系统的纠缠性质也成为了凝聚态理论研究的一项重要任务。许多物理系统的基态、

关键词：量子模拟 BCS 纠缠态物理体系哈密顿量可分离态量子比特量子计算机相关研究

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高性能超导相变边缘单光子探测器研究

高性能超导相变边缘单光子探测器研究

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作者：李佩展中国科学技术大学

学位级别：博士

随着红外天文观测的发展,人们在暗物质、暗能量、第一代恒星、星系和超大质量黑洞等研究方面,取得了许多令人激动人心的成果。未来对于微弱天体的观测,高时变源以及系外行星生命探测等方面,需求高能量分辨率以及高时间分辨的单光子探测... 详细信息

随着红外天文观测的发展,人们在暗物质、暗能量、第一代恒星、星系和超大质量黑洞等研究方面,取得了许多令人激动人心的成果。未来对于微弱天体的观测,高时变源以及系外行星生命探测等方面,需求高能量分辨率以及高时间分辨的单光子探测器。在量子信息领域,量子计量学和量子密码学的发展需求可分辨通信波长(1550 nm)的高探测效率单光子探测器。超导相变边缘(TES)单光子探测器作为高性能的单光子探测器,具有高探测效率,高时间分辨率以及极低的暗计数,同时本身具备光子数分辨能力,可应用于天文、量子信息、微弱光信号探测等领域。国际上目前已经实现了高性能的超导TES单光子探测器,国内对于其研究尚处于起步阶段。针对不同材料和封装的超导TES单光子探测器仍需进一步研究和发展。基于上述背景,本文针对高性能的超导Ti TES单光子探测器展开如下研究:1)测量和理论计算了不同尺寸的TES噪声特性。提出利用实测噪声计算能量分辨率。改善了部分噪声后得到了能量分辨率0.24eV的器件,通过光纤绕圈实现了低至17 cps的暗计数表征。2)优化了 TES的光学吸收效率、光学耦合效率、光纤传输效率。自主设计了一套微米级低温测量系统,对光纤头与TES的垂直距离进行测量。通过红外显微镜将TES与光纤手动对准,在1540 nm波段实现了>90%的高效率超导TES单光子探测器,达到国际前列。3)设计、制备并封装了自对准TES芯片。首次针对镀膜前后以及烘烤后的自对准Ti TES进行了电学特性与光学特性的表征和理论分析。研制的自对准TES探测器能量分辨率达到0.58 eV,探测效率约为70%。4)通过离子辐照实验展示了 TES器件在空间应用的鲁棒性。演示了一种在400nm至1600nm波段工作的多色分辨TES,其可以作为能分辨多波长的光谱仪使用。本文的研究工作实现了高性能的超导TES单光子探测器,对超导TES单光子探测器的性能特性有了更深入的理解,并发展了不同封装的超导TES单光子探测器,实现了超导TES单光子探测器的应用演示实验,为进一步的实际应用打下了重要基础。

关键词：超导相变边缘单光子探测器高探测效率自对准噪声

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量子隐李雅普诺夫控制方法及相关应用研究

量子隐李雅普诺夫控制方法及相关应用研究

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作者：孟芳芳中国科学技术大学

学位级别：博士

完善的量子控制理论对于量子计算、原子物理、选键化学、量子光学、纳米材料、量子通信等领域的飞速发展具有重要的意义。在众多量子控制方法中,基于李雅普诺夫稳定性理论的量子控制方法的设计较简单,可以得到解析的控制律,且基于该控... 详细信息

完善的量子控制理论对于量子计算、原子物理、选键化学、量子光学、纳米材料、量子通信等领域的飞速发展具有重要的意义。在众多量子控制方法中,基于李雅普诺夫稳定性理论的量子控制方法的设计较简单,可以得到解析的控制律,且基于该控制方法的控制系统至少是稳定的,所以是一种比较常用的量子控制方法。在量子系统的特性及其控制的研究中,封闭量子系统的特性及其控制的研究是开放量子系统的特性及其控制的研究基础。从控制的角度看,对封闭量子系统的控制主要包括状态转移和轨迹跟踪两个方面。目前,为实现封闭量子系统的状态转移所采用的量子李雅普诺夫控制方法的研究主要集中在处于退化情况的量子系统。然而在实际中,很少有量子系统处于非退化情况,而大多数量子系统是处于退化情况。所以本论文主要研究的是采用隐李雅普诺夫控制方法来解决封闭量子系统退化情况下的任意两个态之间的完全状态转移控制问题,其中包括任意的本征态、叠加态和混合态。并研究量子控制在实际中的一个应用：相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)相邻能级的选择激发。首先,对于薛定谔方程,通过在控制律中引入隐函数微扰控制项和分别选取基于状态间距离、状态间偏差和虚拟力学量均值的隐函数李雅普诺夫函数解决了控制系统退化情况下从任意纯态初始态到任意本征态目标态的完全转移,也就是收敛性问题。又通过在控制律中引入常值扰动控制项解决了目标态为叠加态时的收敛性问题。并根据拉萨尔不变原理分别证明了在三种隐李雅普诺夫控制方法下控制系统的收敛性。分析了如何使收敛条件成立。通过数值仿真实验来验证所提出控制方法的正确性和有效性。并分析了三种隐函数李雅普诺夫函数的关系和三种隐李雅普诺夫控制方法的优缺点,对比三种控制方法的控制效果。第二,对于刘维尔方程,通过在控制律中引入隐函数微扰控制项,并选取基于虚拟力学量均值的隐函数李雅普诺夫函数解决了控制系统退化情况下从任意初始态到与内部哈密顿对易的目标态的收敛性问题。又通过在控制律中引入常值扰动控制项,解决了目标态为非对易与内部哈密顿的态时的收敛性问题。根据拉萨尔不变原理证明了基于该控制方法的控制系统的收敛性。分析了如何使收敛性条件得到满足,从而提出了便于设计的显式的虚拟力学量设计原则。通过几个数值仿真实验来验证所提出控制方法的正确性和有效性。第三,在实际的应用中,飞秒CARS用于探测物质能谱的灵敏度较高,被广泛应用到许多领域。飞秒CARS相邻能级的选择激发是CARS的一个重要的研究方向。目前实现CARS相邻能级选择激发的方法主要集中在实验上,分析和总结较少。本论文采用Silberberg提出的控制方法,在一系列参数调整实验的基础上,总结了各可调参数对选择激发效果的影响。并根据相关理论,定性分析了该方法的内部控制机理,分析了最佳可调参数能够实现相邻能级选择激发的原因,以及最佳可调参数的大致范围。从而总结出了实现相邻能级选择激发的参数调控方法。

关键词：隐李雅普诺夫控制封闭量子系统状态转移退化情况收敛性 CARS相邻能级选择激发

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基于光子系统的量子纠缠实验研究

基于光子系统的量子纠缠实验研究

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作者：朱洁中国科学技术大学

学位级别：博士

量子纠缠是量子世界最显著的特征,最早以“鬼魅的超距作用”进入人们的视线,引起了关于“实在性”、“局域性”和“量子力学完备性”的激烈争论,而后随着Bell不等式的提出,量子力学的完备性才得以进一步验证。经过全世界物理工作者近百... 详细信息

量子纠缠是量子世界最显著的特征,最早以“鬼魅的超距作用”进入人们的视线,引起了关于“实在性”、“局域性”和“量子力学完备性”的激烈争论,而后随着Bell不等式的提出,量子力学的完备性才得以进一步验证。经过全世界物理工作者近百年的努力,量子纠缠的研究内容从理论到实验愈发丰富,使得量子纠缠成为量子计算、量子通信、量子精密测量、量子模拟等量子信息学应用的核心。然而,量子纠缠仍然存在着很多重要却未解决的问题,继续深入的探索是十分有意义的。光子系统一直因其易操控、低噪声等优点而被认为是研究量子纠缠性质的最优系统之一。在光子系统中,可以利用其本身多自由度的特性,经过一定的非线性变换和线性变换,实现多种量子态的制备,进而通过测量这些量子态以探索其中的纠缠性质。本人在研究生期间,基于光子系统对量子纠缠的性质进行了理论和实验研究,并结合弱测量、经典算法等探索了量子纠缠的相关应用。取得的主要成果如下:1.三体纠缠不变量、多体纠缠中两体纠缠(关联)间的制约关系。多体纠缠、量子纠缠与其它关联度量间的关系是量子纠缠中两个重要的基础课题,也是在量子网络的构建过程中不可避免会遇到的问题。一方面,我们从三体纠缠入手,制备了两种三比特量子态并测量其各向同性与各向异性不变量,而后建立不变量与Horodecki参数、纠缠序列等纠缠参数之间的定量关系;另一方面我们通过制备和测量三比特量子态、四比特经典-经典态,探讨了系统内部纠缠与外部纠缠、系统内部纠缠与外部经典关联的两种制约关系,给出了不同度量选择下的定量不等式。2.量子非局域性的多方共享。量子非局域性的多方共享在量子网络、量子随机数生成、单边量子密钥分发等方面具有重要意义,借助弱测量构建序列测量模型可以实现多方共享。其中,对于Bell不等式的双重违背、单边Einstein-Podolsky-Rosen导引的三重观测等已经被理论证明和实验实现。这里,我们首次考虑了双边两对观测者的模型,给出了无偏基情况下的导引参数公式并在实验上观测到了双重EPR导引。3.双格点Fermi-Hubbard模型的模拟。量子计算是量子纠缠的主要应用之一,因为通用量子计算对于比特数目、门保真度、纠错算法等有极高的要求,所以基于现有的含噪声的小规模量子系统、结合经典优化算法进行计算的方法被提出。我们在光子系统制备出含未知参数的拟设态,根据优化算法对参数进行迭代,得到双格点Fermi-Hubbard模型的基态与激发态及其对应的能量值,进而通过测量得到跃迁幅度并计算出对应的格林函数。4.多自由度耦合体系的光学实现。斯格明子(Skyrmion)作为一种典型的拓扑结构,常在磁性材料和薄膜系统中形成,是实现高速存储器的主要候选。受量子纠缠的启发,我们将光子的偏振态与轨道角动量态耦合,构建了自由空间中的光学斯格明子,测量计算了对应的拓扑数——斯格明子数,并讨论分析了它的噪声鲁棒性。

关键词：量子非局域性量子纠缠经典关联 Einstein-Podolsky-Rosen导引弱测量

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设备无关量子通信实验技术研究

设备无关量子通信实验技术研究

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作者：刘文钊中国科学技术大学

学位级别：博士

19世纪末20世纪初,除了在实验中出现的几朵“乌云”外,经典物理学中的基本原理似乎已经被牢固地建立起来了。然而对这几朵“乌云”的研究却造就了物理学的重大变革。在物理学家的共同努力下,量子力学于1920年代孕育而生。然而以波函数... 详细信息

19世纪末20世纪初,除了在实验中出现的几朵“乌云”外,经典物理学中的基本原理似乎已经被牢固地建立起来了。然而对这几朵“乌云”的研究却造就了物理学的重大变革。在物理学家的共同努力下,量子力学于1920年代孕育而生。然而以波函数描述世界的量子力学因其与经典理论的冲突和种种反直觉的预测而饱受质疑,其中具有代表性的是1935年爱因斯坦等人发表的EPR文章。文章因不相信量子随机性的存在而对量子力学的完备性提出了挑战。随后人们试图通过建立定域隐变量理论,对实验观测的量子随机性进行解释。直到1964年,贝尔理论的出现给这场旷日持久的争论提供了一种可靠的实验检验方法,拉开了量子理论检验研究的新篇章。在贝尔实验过程中,虽然人们发现实验结果并不满足基于局域实在论的隐变量理论的预测,但是实验往往都需要基于一些额外的假设,而这些假设被称为“漏洞”。完成一个“无漏洞”的贝尔实验对于人们了解和认知量子理论有着重要意义,也对证明量子随机性的存在有着决定性的作用。在1991年,Ekert创造性的提出了通过贝尔实验获得量子随机性的思想。由无漏洞贝尔实验认证并产生的量子随机性的安全性可以不依赖于设备,只由贝尔实验的结果保证。因此这被称为设备无关协议。基于无漏洞贝尔实验的设备无关协议仅在一些必需的基本假设下,就可以保证通信协议的安全性。结合量子密钥分发等体现量子优势的通信协议,能够在实际通信过程中以最少的需求保障通信的安全。作者分别参与和负责完成了设备无关量子随机数和设备无关量子密钥分发的相关工作。(1)在2018年参与了设备无关量子随机数产生的工作。实验主要基于熵累积理论(EAT)对测量结果中包含的安全随机性进行估计,国际上首次实现了能够抵抗量子攻击者的设备无关量子随机数产生。(2)在2021年负责完成了设备无关量子随机性扩展的工作。实验中搭建了高效率的光子纠缠系统,并使用了改进版的熵累积理论,提升了协议提取安全随机性的能力。实验上首次实现了输出随机性大于消耗,推动了设备无关量子随机数的应用。(3)在2022年负责完成了设备无关量子密钥分发的原理演示实验。实验在原光子纠缠系统上进一步提升了效率。同时结合随机后选择、噪声预处理和冯诺依曼熵的计算方法,证明了系统产生安全密钥的能力,为全面实现基于光子的设备无关量子密钥分发迈出了重要的一步。(4)除此以外,作者还于2018年参与了利用遥远星光作为随机源进行基矢选择的无漏洞贝尔检验实验。在关闭探测效率漏洞和局域性漏洞的情况下,实验对局域隐变量模型采用了严格的假设检验方法,有效的证明了从星光产生的时间开始(11年前),实验结果不满足隐变量理论的预测。

关键词：无漏洞贝尔检测设备无关量子随机性量子密钥分发纠缠光子源单光子探测器

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