检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：周宗权中国科学技术大学

学位级别：博士

光子是未来量子网络信息传递的天然载体,然而由于光子在光纤中传输损耗与传输距离呈指数关系增长,目前量子通信的距离被限制在三百公里左右。为克服这一困难,Briegel等人提出基于量子中继的远程量子通信方案。它依靠纠缠交换和量子存储... 详细信息

光子是未来量子网络信息传递的天然载体,然而由于光子在光纤中传输损耗与传输距离呈指数关系增长,目前量子通信的距离被限制在三百公里左右。为克服这一困难,Briegel等人提出基于量子中继的远程量子通信方案。它依靠纠缠交换和量子存储技术有效地克服了光子指数衰减问题,使得五百公里以上的量子通信成为可能。基于量子存储的分布式量子计算网络还可实现不同位置的量子处理器并行运算。所以量子存储器是构建量子网络的核心部件,实用化量子网络的构建依赖于高性能量子存储器的物理实现。固体中的稀土离子具有十分丰富的光学谱线,它的4f电子被外层5s等电子屏蔽,故与周围环境耦合很弱。相应的4f电子能级迁移在低温下具有很长的相干寿命,特别适于实现单光子的量子存储。我们这里主要研究基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器。量子存储器作为一种多系统交互的重要媒介,实验研究的关键难题是实现不同系统与固态量子存储的对接。本人博士阶段的工作集中于量子光源与固态量子存储器的界面。本文主要取得以下成果： 1.相位补偿法纯化半导体自组织量子点产生的确定性光子对纠缠。半导体量子点内的载流子在空间上三维受限,这使得它具有分立的能级结构。当单量子点被激发到双激子态时,它可以级联发射偏振纠缠的光子对,是一种确定性的纠缠光子源。然而量子点的激子态具有精细结构劈裂,这一劈裂导致两种偏振态的光子间有一个相位演化,从而导致光子对纠缠的保真度下降。我们首先利用傅立叶变换把这一个时间依赖的相位转化为频率域的相位分布,然后提出利用光栅把光子频率域分布转化为空间域分布,再利用空间光调制器将这一相位差补偿掉,从而有效地提升了光子对的纠缠保真度。 2.单光子偏振比特的超高保真度固态量子存储。光子具有多种自由度可以携带信息,比如强度、相位、time-bin、偏振等。实际应用中,偏振是光子携带信息最方便最稳固的自由度。然而由于晶体的各向异性吸收特性的,故此前所有固态量子存储实验都是预先选定了单一偏振态的输入光子。我们首次设计出独特的“三明治”结构-即两个平行的掺杂晶体夹着一个45。半波片,实现了对单光子任意偏振的固态量子存储。由于这一结构具有天然的稳定性,我们实验测得偏振存储过程的保真度达99.9%,这是量子存储器存储保真度的最高记录。 3.固态介质中光前驱波的理论研究及实验观测。光前驱波是由索末菲尔德和布里渊于1914年为解决色散介质中群速度超光速与狭义相对论的矛盾而提出的理论。该理论指出,任何介质对光场的非连续跃变波前都是无法响应的,故光前驱波在任何介质中的传输速度都是真空光速,不依赖于具体介质的色散特性的。我们注意到稀土掺杂晶体的吸收带可以由泵浦光场实现任意的编程控制,从而获得快光、慢光或者无色散传输的条件我们提出利用偏振干涉仪的方案可以直接比较不同色散条件下光前驱波的传输速度。随后,我们基于Nd:YVO4晶体实验实现了光前驱波的观测,且实验证明了不同色散条件下光前驱波的速度是精确一致的。 4.在Nd:YLF晶体中首次实现固态量子存储。我们选取了多种厚度、浓度的Nd:YLF晶体并在不同温度和磁场下多次实验,最终在1.5K温度,6.6T磁场的条件下实验实现了效率达35%的原子频率梳量子存储。实验中我们直接分辨了不同Nd同位素的吸收线。随后我们进一步完成了对同位素提纯的143Nd:YVO4晶体的初步光谱研究。 5.窄带参量光的固态量子存储以及LGI的实验检验。我们利用非线性晶体中的参量下转换过程制备了纠缠光子对。为了匹配固态量子存储的带宽,我们采用了光栅加光学标准具滤波的手段制备了带宽约700MHz的窄带参量光光子源。接着我们实现了对该光子的固态量子存储。基于我们自主提出的偏振依赖频率失谐的原子频率梳方案,我们实现了对存储器集体激发模式动力学演化的控制,并首次在光与物质界面的系统中实现了对LGI的实验检验,证明了宏观系统内的量子相干演化。 6.量子点确定性单光子的固态量子存储。半导体量子点不仅是一种确定性的量子光源,其内部电子的自旋还可以作为量子比特实现一些量子逻辑操作,故量子点有望在未来量子网络中成为重要的节点。实现半导体量子点与固态量子存储的量子界面具有重要的意义。我们首先利用特别制备的InGaAs量子点发射880nm波长的单光子,其波长由局部加热和光学标准具严格对准存储器工作波长。该单光子加载了偏振信息存入存储器中并读出,存储保真度超过91%。我们进一步演示了存储器的多模式操作,实验中对真单光子的存储模式数达到100个,这是目前量子存储器单光子存储多模式容量的最高水平。 7.高维轨道角动量纠缠的固态量子存储。轨道角动量描述光场的横向相位分布,它具有不受限的量子数,这一特性使得它可用于高维度信息编码并实现空间域的多模式复用。我们首次实验实现了单光子轨道角动量量子态的固态量子存储。基于非线性晶体可

关键词：固态量子存储量子中继参量下转换单量子点量子纠缠轨道角动量 LGI 光前驱波

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基于半导体自组织量子点的量子光源

基于半导体自组织量子点的量子光源

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作者：邹扬中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息科学诞生于20世纪后半叶,是物理学中量子理论与信息学和计算机科学相结合的领域,包含量子通信与量子计算两部分内容。随着人们不断改进计算机集成芯片的生产技术,芯片尺寸已经逐渐缩小到纳米量级,若再继续往下发展,量子效应将... 详细信息

量子信息科学诞生于20世纪后半叶,是物理学中量子理论与信息学和计算机科学相结合的领域,包含量子通信与量子计算两部分内容。随着人们不断改进计算机集成芯片的生产技术,芯片尺寸已经逐渐缩小到纳米量级,若再继续往下发展,量子效应将逐渐开始表现得显著。而且单位面积内芯片元件数量的增加,也带来了难以解决的热耗问题。物理学家landauer指出传统的经典逻辑运算是单向的,即信息的计算与处理过程是不可逆的,这种不可逆的过程是芯片产生热耗效应的根源,从原理上也限制了芯片集成度的进一步发展。因此研究新的计算模型的架构显得十分必要。此外由于Shor的量子大数分解算法以及Bennett的量子保密通信协议的提出,展现了量子并行计算和量子保密通信的强大潜力,使人们对可逆的量子计算和量子通信寄予了厚望,使量子信息得以发展具备了可能性。与经典信息一样,量子信息同样需要依靠真实的物理系统。光子作为量子通信的信息载体是被普遍认可的纯净系统,也是光通信技术发展的重要分支。因此能够产生单光子和纠缠光子的量子光源成为了量子信息产生和传输过程的源头,依靠光子加载量子信息,在量子网络的各节点之间传输和处理这样的光子是人们对量子通信的设想。半导体量子点就是这样一种极具潜力的量子光源系统,它是由分子束外延技术生长的一种准零维的纳米材料,对载流子电子与空穴的作用相当于一个势阱,因而载流子在其中具有类似原子的分立能级结构,能级跃迁时可以发射出单光子。它在制造工艺上和现有的半导体加工工艺相兼容,易于集成且性能稳定,而且发出的光子波长在一定程度上可以控制,因此备受人们关注。我们这里主要研究自组织量子点的光学性质,并且用它产生单光子和纠缠光子对。本文的主要结果有： 1.稀点法获得单光子源。半导体自组织量子点是生长过程中,由于品格释放内部应力而在异质界面上随机形成的,其大小、密度与发光性质都各不相同。但是通过控制生长温度,各元素组分的比例以及沉积的速率,可以在一定程度上控制分布的规律。我们使用密度呈阶梯分布的量子点样品进行研究实验,不用任何后续的加工手段,而在密度稀疏的地方找到并隔离出单个量子点。将其作为单光子源,每秒钟能够探测到10万个单光子,二阶自相关度小于0.27。 2.研究量子点的四能级跃迁模型与关联函数。单个量子点中束缚两对总自旋相反的电子空穴对形成双激子,并通过级联辐射发出双光子对的过程,可以抽象成一个四能级系统。我们在理论上研究这个模型时引入了温度作为一个参数,再利用能级跃迁的时间关联函数可以得到光子对的偏振密度矩阵,并进一步得到其发光特性。我们对此模型进行了数值模拟,解释光子对保真度随时间演化的一些实验现象。 3.利用四能级模型研究光子对偏振纠缠与量子关联的动力学演化性质。量子点中参与级联辐射过程的两个激子发出光子的偏振相互正交,因此有两种辐射路径,若不能从其他条件获区分辐射路径,则级联辐射过程发出的光子对是偏振纠缠的。我们用四能级模型研究了量子点发射光子对的纠缠动力学演化过程,发现随着温度升高而出现的纠缠突然死亡的现象。另外,量子关联是比量子纠缠更广泛的概念,包含了两个粒子之间一切不能用经典关联描述的关系。我们在用四能级模型模拟了量子点发光性质的基础上,讨论了级联辐射光子对之间的量子关联的演化情况,指出量子关联演化的一些特性不受环境中白噪声的影响,只与体系内声子辅助的过程有关。 4.实现量子点级联辐射光子对的Franson型干涉,及探测双激子能级的非均匀展宽。量子点材料中载流子的运动对量子点造成了一个随机电场,这个随机的电场导致了量子点内部能级的非均匀展宽,进而影响对量子点系统的相干控制以及辐射光子对的纠缠的质量。我们在实验上实现了量子点级联辐射光子对的Franson型干涉,并利用它直接测量了双激子能级的非均匀展宽,结果发现这个双激子能级的非均匀展宽比已知的激子能级展宽要小很多,预示着级联辐射过程可以产生很好的纠缠光子对。

关键词：自组织量子点级联辐射单光子源纠缠激子双激子 Franson干涉

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相位编码量子密码系统的实用化技术研究

相位编码量子密码系统的实用化技术研究

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作者：宋萧天中国科学技术大学

学位级别：博士

信息，作为一种资源，对人类具有特别重要的意义，其安全性是任何一个国家、政府、行业乃至个人都必须高度重视的问题，信息安全最强的防御手段便是基于信息加密的密码体制。现今主流的密码体制，例如RSA等的安全性都是基于数学算法的... 详细信息

信息，作为一种资源，对人类具有特别重要的意义，其安全性是任何一个国家、政府、行业乃至个人都必须高度重视的问题，信息安全最强的防御手段便是基于信息加密的密码体制。现今主流的密码体制，例如RSA等的安全性都是基于数学算法的计算复杂度，在当前计算机的计算能力下，想要短时间破解这类密码体制是极其困难的（虽然说如果有足够的时间是可以完全破解的）。但是随着量子计算机概念的提出以及近几十年量子信息技术的飞速发展，经典密码体制面临前所未有的巨大挑战。　　1984年量子密钥分配的提出给信息安全指明了新的出路，量子密钥分配的安全性基于量子力学的基本假设，可以保证远距离通信双方共享无条件安全的密钥。当量子密钥分配技术与***提出的“一次一密”的加密方法结合之后，即使窃听者具有无穷的计算能力（量子力学范围内），无条件安全的保密通信仍然是可以保证的。　　作为信息安全的保证，量子密钥分配的安全性自然是重中之重。到目前为止，大多数量子密钥分配的协议安全性都已经得到证明，可是作为通信技术的一种，其实际安全性是必须考虑的问题，因为在实际系统中，实验器件不可能完美的完成协议的要求而且不产生任何的侧信道信息。目前，解决量子密钥分配的实际安全性的主要研究方法有两种:一种是找出可能针对实际器件漏洞的攻击方式并予以改进;另一种是寻找新的量子密钥分配协议，使其安全性不与依赖与实验设备，而是通过进行分析系统的输入输出信息来度量产生密钥的安全性。　　本文总结了本人在攻读博士学位期间以提高实际量子密钥分配系统安全性，达成高安全性的可实用化量子密钥分配系统为目的所完成的主要研究成果，主要包括几个方面:　　1.针对实际法拉第迈克尔逊量子密钥分配系统中的相位调制器存在损耗的问题，给出了优化的理论分析方法，有效的提高了安全密钥生成率。另外我们还提出了一些系统上的改进，用以提升系统的安全密钥率。详见第三章。　　2.在量子密钥分配的条件假设中（详见第二章）有一条就是通信双方能够使用真随机数，他们使用真随机数进行态制备，态测量等操作。可以说随机数的随机性直接影响了最后共享密钥的安全性。经典的随机数发生器（包括一些量子随机数发生器）只能通过统计分析生成的随机数的排列分布，比例等等信息来检测其随机性，但是这些都可能是由窃听者事先植入的。我们实现了一种相位编码的自检测量子随机数生成器，通过对系统输入输出信息的分析来度量随机数生成过程中包含的量子随机性，从而有效的提取随机数。详见第四章。　　3.探测端设备无关量子密钥分配系统是在协议层面解决实际系统的探测端非完美性带来的安全性漏洞的一种方案，它对于探测端没有任何安全性的要求，即使是被窃听者控制也不会对安全性产生影响。我们实现了一种新型参考系无关的探测端设备无关量子密钥分配系统，其主要优势在于省去了会使整个系统更加复杂并可能带来安全性隐患的参考系校准过程。通过一个与参考系偏差无关的特性参数来度量窃听者获取的信息量，从而保证了最后生成密钥的安全性。实验结果也表明了此协议的实际可行性。详见第五章。　　4.作为主要人员参加设计搭建合肥-芜湖广域量子密钥分配网络，此网络为全球首个广域量子密钥分配网络。共包含9个物理节点，8条光纤信道（对应着8对量子密钥分配设备）。光纤信道总长度超过200Km，其中干线长度超过150Km，连接合肥、巢湖和芜湖三座城市，网络的工作重复频率为20MHz，连续稳定运行时间超过5000小时。在组网过程中使用到了全时全通量子路由器，光开关等有效的组网技术。详见第六章。

关键词：量子密钥分配系统可实用化技术安全性

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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

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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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基于腔量子电动力学的光机械系统与自旋压缩研究

基于腔量子电动力学的光机械系统与自旋压缩研究

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作者：张延磊中国科学技术大学

学位级别：博士

信息科学是研究信息运动规律和应用方法的科学,近30年来,信息科学与量子力学相结合而兴起的量子信息科学受到了广泛的关注。量子信息科学由于一些新奇特性,比如量子态的不可克隆性、线性叠加性、纠缠特性等,使其在量子计算、量子信息、... 详细信息

信息科学是研究信息运动规律和应用方法的科学,近30年来,信息科学与量子力学相结合而兴起的量子信息科学受到了广泛的关注。量子信息科学由于一些新奇特性,比如量子态的不可克隆性、线性叠加性、纠缠特性等,使其在量子计算、量子信息、量子度量等方面显示出十分广阔技术应用前景。量子计算机的并行处理能力使其计算速度远远快于经典计算机,在密码破解、量子搜索等方面展示出了巨大的潜力。量子信息利用量子态不可被克隆性、纠缠特性等特点已经在量子密码、量子通信等实用化领域取得了重大的进展。测量高精度物理量的需求推动了量子度量学的发展,在量子时钟和引力探测等领域的研究也越来越热,在有些领域已经突破了经典物理的极限,正在向着海森堡极限逼近。量子信息科学的优势吸引着人们寻求各色各样的信息载体来实现量子计算机。量子计算机在物理实现上需要考虑各种折衷因素,在离子阱、超导电子电路、线性光学、腔量子电动力学装置和分子核磁共振等系统中已经取得了很大的进展。但是实际量子物理体系中会有各种各样的耗散,而且量子比特数目越多耗散会越严重。幸运的是有些体系在某些方面的优势非常明显,因此混合物理系统也受到了越来越多的关注。腔光机械系统在量子信息存储、量子混沌、波长转换等方面有很大的潜在应用前景,特别是其与原子或者量子点等耦合形成的混合物理体系,更是近年来研究的一个热点。腔量子电动力学(C-QED)是研究原子和光学模式之间相互耦合的一个重要领域。在高品质因子的光学腔中,光子与原子可以进行多次相互作用,实现原子与光场很强耦合,从而制备自旋压缩态(SSS)用于量子度量。在本篇论文中,我们首先简要介绍量子信息科学的一些基本知识,讨论了腔光机械系统和腔量子电动力学装置。对于腔光机械系统,我们研究了该系统一些基本性质和应用,还分析了其与量子点耦合形成的混合物理体系、单光子和双光子的输入输出、声子激光。对于腔量子电动力学装置,我们就制备自旋压缩态方面做了详细的讨论,主要包括以下几点：在腔压缩体系中通过失谐来加强自旋压缩；在氮-空穴(NV)色心体系中基于几何相位通过声子诱导自旋压缩；通过连续驱动NV自旋链产生压缩稳态。具体内容为如下四个方面：1.腔光机械系统研究腔光机械系统是实现量子通信和量子计算一个非常重要的系统,里面有丰富的物理现象和很多潜在的应用。我们在光机械诱导透明、布里渊散射诱导透明以及非互易光存储等方面做了一些简单的讨论。在光机械与量子点耦合形成的混合物理体系中,我们发现了真空腔诱导透明现象,从强弱耦合两个角度做了详细的分析。此外,我们还将经典控制光与真空腔诱导下的透明现象做了对比。最后,为了能更好地理解诱导透明现象,我们在一般三能级原子体系中,通过非相干控制实现了电磁诱导透明(EIT)与Autler-Towns劈裂(ATS)的相互转换,并对两者做了区分。在光机械的输入输出研究中,我们得到了在平方耦合的情况下单光子的输出谱,其展现出声子偶数激发的特点。以此为基础,我们进一步研究了在实空间下双光子的输入输出情况。对于声子激光,我们提出了几个可行的实现方案。2.失谐加强腔自旋压缩我们理论上详细讨论了实验上已经实现的腔自旋压缩方案中各个参数对自旋压缩的影响,与近共振的方案相比,我们发现失谐可以将腔压缩度从原来的S一2／5大幅度提高到S-2/3,其中S是总自旋数。此外,我们还发现原子和腔之间弱的相互作用和大失谐可以加强原子系综的自旋压缩。解析结果表明,自旋压缩来源于由激光驱动诱导的与自旋态相关的几何相位,因此在这里大失谐非常重要。对于实际的物理系统来说,一些噪声是不可避免的。我们分析了由于原子拉曼散射对自旋压缩所产生的影响,结果表明通过合适的失谐可以优化自旋压缩。大失谐激光驱动使进入到光学腔中的有效光场减少,因此需要更长的时间才能达到最优的压缩。在这种情况下,单自旋退相干不得不考虑,我们发现更强的驱动光可以有效的减弱这种噪声对自旋压缩的破坏。大失谐激光驱动也有可能激发光学腔的其他光学模式,我们对多模式光场与原子系综的耦合也做了详细的讨论,发现其它光场模式对自旋压缩的影响完全可以忽略。最后,我们将实验上可实现的参数代入方案中,其结果说明通过失谐的调节来加强自旋压缩在目前的实验条件下很容易实现。作为产生自旋压缩的一个补充,基于此方案我们对通过测量来实现非经典态也做了一些讨论。3.氮-空穴(NV)色心体系中基于几何相位的声子诱导自旋压缩我们提出了一个通过单机械模式诱导几何相位的方案来实现自旋压缩,在这里NV链散射耦合到单机械振子上。几何相位由于其自身的属性,对声子的初态非常不敏感,这是实验上一个非常重要的优势。我们研究了在不同的热噪声和机械品质因子(Q)下的自旋压缩性质,结果表明完美单轴压缩可以在热噪声和机械品质因子合适的比值下实现。在实际的物理体系中,NV链会与一些热库耦合,这种耦合引起了退相干,

关键词：腔量子电动力学腔光机械诱导透明自旋压缩态氮-空穴色心

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全球量子保密通信技术进展研究

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计算机科学与应用 2017年第1期7卷 74-87页

作者：李宏欣李瞻闫宝韩宇王伟山灵解放军外国语学院语言工程系河南洛阳数学工程与先进计算国家重点实验室河南郑州河南科技大学动物科技学院河南洛阳

随着互联网信息技术日新月异的发展,人们对于通信保密性的要求越来越高,从而对于加密体制的安全性提出了更高的要求。量子密码的诞生很好的解决了这一问题,目前最理想的量子保密通信,具有理论上的无条件安全性,国内外均引起了广泛关注... 详细信息

随着互联网信息技术日新月异的发展,人们对于通信保密性的要求越来越高,从而对于加密体制的安全性提出了更高的要求。量子密码的诞生很好的解决了这一问题,目前最理想的量子保密通信,具有理论上的无条件安全性,国内外均引起了广泛关注。本文详细介绍了当前主要量子保密通信实验、量子保密通信网络以及量子保密通信产品三方面的国际最新进展,具有重要的参考价值。

关键词：量子保密通信量子密钥分发最新进展产品应用

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玻色系统非线性的量子调控和量子模拟

玻色系统非线性的量子调控和量子模拟

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作者：张永昌中国科学技术大学

学位级别：博士

自从上世纪初量子力学被发现以来,随着人们量子调控技术的发展,已经发展出了许多相关的学科,例如量子生物、’量子度量、量子信息、量子计算等等。目前量子信息已经在保密通信方面得到实际应用,具有经典通信无可比拟的优势。量子计算相... 详细信息

自从上世纪初量子力学被发现以来,随着人们量子调控技术的发展,已经发展出了许多相关的学科,例如量子生物、’量子度量、量子信息、量子计算等等。目前量子信息已经在保密通信方面得到实际应用,具有经典通信无可比拟的优势。量子计算相对于现在的经典计算在相同的资源下计算能力有指数量级的提升。在处理量子多体问题方面,由于Hilbert空间的指数增长,有许多问题是经典计算机根本无法解决的。而量子计算潜在的强大计算能力使得实现普适的量子计算机成为了目前研究者们最为期待的目标之一。受限于现阶段的技术条件,量子计算机的实现仍然非常困难,还有很长的路要走。虽然普适的量子计算机似乎还比较遥远,但是现阶段我们可以实现一些可以处理特定任务的“量子计算机”—量子模拟,这是费曼在上世纪80年代提出来的设想,即利用一个可控的量子系统来模拟另外一个我们想要求解的物理系统,从而由可控系统的特性来了解原模型中的各种物理性质。它在技术上的要求相对于量子计算机要低很多,而且目前已经有许多易操控的实验平台,像光晶格、光学微腔、离子阱、超导电路、冷原子等等,通过外加光场、磁场、电场等进行调控可以对很多经典计算机无法求解的物理模型进行模拟,例如量子多体系统的基态以及动力学性质、高维量子阻挫磁性问题等等,量子模拟为我们在求解这些问题方面提供了一个可行的途径,并且在相对论效应模拟、高温超导机制的理解方面,量子模拟也有很大的帮助。在量子多体领域,非线性是一类很重要的问题,在量子纠缠、量子测量方面有许多应用。本文中我们主要关注量子非线性调控方面的几个问题：利用光学微腔和冷原子在强相互作用下产生的准粒子—电磁极化子来模拟量子多体系统中的一些非线性效应;研究了这些非线性对量子相变的影响以及在量子度量中的应用;在具有吸引相互作用的Bose-Einstein condensates (BEC)中引入自旋轨道耦合作用发现了存在稳定的三维孤子。全文主要分为以下四个部分： 1.我们把冷原子放置在单个光学微腔中,利用腔场与原子在强耦合条件下所形成的电磁极化子(Polariton)实现了一种粒子数辅助交换的双分量模型,这是一种新的非线性效应,在人们以前的工作中是没有研究过的。我们通过计算发现了这种非线性会对系统的动力学性质和基态性质产生显著的影响;2.我们把单个微腔系统扩展至级联腔系统,得到了一个扩展的双分量Bose-Hubbard模型,发现这些非线性项使得系统具有更为丰富的相图,不仅可以改变基态的对称性,而且可以使绝缘态到超流态的二阶量子相变变成一阶相变,另外还可以诱导Mott区的反常“奇偶效应”,这与之前其他种类非线性项对双分量Bose-Hubbard模型基态的影响有很大不同;3.我们发现在电磁极化子系统中得到的这种非线性项与量子度量领域的量子双轴压缩有很好的对应,在量子精密测量方面有潜在应用。为了在实验上更容易实现,我们也进一步在单腔系统中提出了一个实现量子双轴压缩的简化方案。在量子压缩这个领域,人们已经提出了一系列实现单轴和双轴压缩的方案,前者已经在实验上得到了实现,但双轴压缩还未得到实验验证,其原因是目前已有的理论方案都比较复杂而且在技术上要求很高。而我们提出的是一种相干操控的方案,对技术的要求相对于已有的方案有很大降低,在实验上更容易实现。 4.根据已有的结论,在三维吸引相互作用系统中,如果没有外加势场,是不存在稳定的孤子的。我们在双分量玻色子系统中引入自旋轨道耦合作用,经过数值模拟发现了在自由空间中存在稳定的孤子。并进一步研究了这种三维孤子的运动和碰撞。

关键词：量子模拟光学微腔冷原子电磁极化子量子相变非线性量子度量量子压缩三维孤子

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基于超导电路系统和BEC的非经典性质研究

基于超导电路系统和BEC的非经典性质研究

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作者：黄文中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息科学诞生于二十世纪八十年代,是一门利用量子力学原理来处理信息问题的交叉学科。其中包含很多的研究方向,主要的有量子计算、量子通信、量子度量学等。由于量子力学有着诸多不同于经典力学的性质,如量子态的叠加性和相干性等,... 详细信息

量子信息科学诞生于二十世纪八十年代,是一门利用量子力学原理来处理信息问题的交叉学科。其中包含很多的研究方向,主要的有量子计算、量子通信、量子度量学等。由于量子力学有着诸多不同于经典力学的性质,如量子态的叠加性和相干性等,导致人们在量子信息研究中发现了很多不同于经典信息科学的现象如非局域性、量子纠缠等。也正是由于这些非经典性质的存在,使得量子信息科学在很多方面都表现出很大的优势,如在进行大量而快速的信息存储、计算和传输等方面都比经典信息强大很多;量子态的叠加性使得量子计算有着强大的并行处理能力,因此它的计算速度是经典计算所不能比拟的;由于量子态不可克隆和量子纠缠的存在,通过量子密码和量子通信能实现绝对安全的长程信息传输;量子度量学则能使测量的精度大幅提升,以至于突破经典物理所能达到的极限——标准量子极限,直至逼近量子力学极限——海森堡极限。在这篇论文中,第一章我们介绍了量子信息的一些基础理论和之前提到的几个研究领域包括量子计算、量子通信和量子度量学,其中重点介绍了在提高测量精度方面有着重要应用的自旋压缩的知识,其中双轴自旋压缩态因能接近于海森堡噪声极限而更受青睐。超导电路系统作为未来实现量子计算最有前途的物理方案之一,也常被用来研究一些在量子信息领域有重要应用的非经典现象如双光子激光等,在第二章中我们对其基础理论进行了介绍,包括约瑟夫森效应、超导量子比特、超导传输线腔以及它们之间的相互作用。围绕这些体系和非经典特性,我们展开的研究具体如下： 1、将两相互作用的超导磁通量子比特与超导传输线腔耦合,我们提出了一个能产生双光子激光的理论方案。在不考虑耗散等非相干过程时,我们发现,在一定的条件下,共振器的频率能调节到与基态和最高激发态跃迁达到双光子共振而中间的激发态远离任何共振。进一步我们考虑系统的耗散并外加非相干泵浦,并研究了系统在稳态下的一些性质,如各能级布居数分布、光子的统计性质、腔的输出谱和压缩性质。通过对结果进行分析,我们发现布居数反转是由相干耦合、非相干泵浦以及系统的耗散之间的竞争来实现的,而且最高激发态与基态之间的双光子过程占主导地位,此外在实验所能达到的参数下满足双光子激光所期望的Fano因子F>1,进而证实了在当前的实验技术下此系统能用来实现双光子激光。 2、我们提出了一个在玻色-爱因斯坦凝聚体系中通过加连续驱动场将单轴自旋压缩变成双轴自旋压缩的理论方案。通过调节驱动场的振幅和频率,我们得到一个有效的双轴扭曲哈密顿量,能实现自旋压缩系数∝N-1,接近海森堡极限,其中N为原子数。与Y. C. Liu等人的方案[Phys. Rev. Lett.107,013601(2001)]相比,我们仅仅需要一个方向的连续驱动场就能实现此变换,而不是大量的脉冲序列,因此更利于实验操作,是很有前途的。与L. M. Duan等人的方案[Phys. Rev. A87,051801(2013)]相比,我们的方案不依赖于系统的自旋粒子数而且达到最佳压缩所需要的时间也相对较短。

关键词：超导量子比特超导传输线腔双光子激光自旋压缩海森堡极限

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P波间期的心脏电流源重建及电活动磁成像

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物理学报 2019年第13期68卷 301-314页

作者：周大方蒋式勤赵晨 Peter van Leeuwen 同济大学电子与信息工程学院上海201804 维藤/黑尔德克大学健康学院德国维藤D-58448

用超导量子干涉仪在人体胸腔表面测量的磁场数据重建心脏电流源及其成像,是一种无创获取心脏电活动信息的新技术.由于P波间期的心脏磁信号比R波峰值弱,信噪比较低,本文提出了一种可提高分布源空间谱估计强度对比度(IIC)的波束成形方法.... 详细信息

用超导量子干涉仪在人体胸腔表面测量的磁场数据重建心脏电流源及其成像,是一种无创获取心脏电活动信息的新技术.由于P波间期的心脏磁信号比R波峰值弱,信噪比较低,本文提出了一种可提高分布源空间谱估计强度对比度(IIC)的波束成形方法.该方法分两步:1)在空间滤波器的加权矩阵中引入导联场矩阵,使滤波器输出估计对磁场电流源及其分布比较敏感.通过求解逆问题,可以改进重建分布源强度的对比度;2)通过设置源强度阈值,提取每个时刻重建源中偶极矩强度极大的电流源,消除其他位置上相对弱的伪源,可提高P波间期电流源重建的精度.文中采用理论分析与仿真试验,比较了IIC与3种其他电流源重建方法的性能.结果表明,IIC的单源空间谱估计的强度对比度较高,电流源重建精度相对较好.文中还分析了2个健康人的61通道心磁测量数据,以及他们P波间期的心脏电活动成像.与其他3种方法相比,IIC的电流源成像结果最优.能够显示健康人P波峰时刻心房的电活动较心室强.P波间期右心房除极时,心脏电活动具有方向特征.

关键词：心脏电活动磁成像逆问题空间滤波器电流源重建

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SOTEM深部探测关键问题分析

SOTEM深部探测关键问题分析

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中国科学院地质与地球物理研究所2015年度（第15届）学术年会

作者：薛国强闫述陈卫营李海中国科学院矿产资源研究重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所江苏大学计算机科学与通信工程学院

利用阶跃电流源激发可以有效地将一次场和二次场在时间上进行分离,通过时域电磁场近源测深可获得较强的信号和较大的探测深度.基于以往研究基础,作者提出了电性源短偏移瞬变电磁法(SOTEM),并指出需要研究SOTEM深部探测理论、方法和技术... 详细信息

利用阶跃电流源激发可以有效地将一次场和二次场在时间上进行分离,通过时域电磁场近源测深可获得较强的信号和较大的探测深度.基于以往研究基础,作者提出了电性源短偏移瞬变电磁法(SOTEM),并指出需要研究SOTEM深部探测理论、方法和技术等方面的关键问题.根据时变点电荷载流微元积分理论,推导出SOTEM响应的精确表达式;通过分析SOTEM电场、磁场各分量的响应及分布特征,以及各分量与地层之间的相互作用特点,对高、低阻层的敏感度等,研究SOTEM深部探测能力;研究SOTEM的记录点规则,以及场源复印和阴影效应等附加效应的影响规律及校正方法;通过对模拟及实测数据的分析,研究SOTEM信号受噪声的影响程度以及各种去除噪声的方法;采用曲线精细拟合技术,提高定量反演精度;总结经验并最终形成一套适用于SOTEM的野外工作规程.

关键词：短偏移瞬变电磁法点电荷微元多分量探测探测能力

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