检索结果-内蒙古大学图书馆

物理学报 2017年第16期66卷 69-75页

作者：李亚超孟腾飞李传亮邱选兵和小虎杨雯郭苗军赖云忠魏计林赵延霆太原科技大学应用科学学院太原030024 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006

基于相关一致基组aug-cc-pV5Z,采用内收缩多参考组态相互作用方法计算了BD^+离子两个最低解离极限B^+(~1Sg)+D(~2Sg)和B+(~3Pu)+D(~2Sg)对应的5个Λ—S态(X^2Σ^+,A^2Π,B^2Σ+,a^4Π和b^4Σ^+)的势能曲线和跃迁偶极矩.根据计算结果,求... 详细信息

基于相关一致基组aug-cc-pV5Z,采用内收缩多参考组态相互作用方法计算了BD^+离子两个最低解离极限B^+(~1Sg)+D(~2Sg)和B+(~3Pu)+D(~2Sg)对应的5个Λ—S态(X^2Σ^+,A^2Π,B^2Σ+,a^4Π和b^4Σ^+)的势能曲线和跃迁偶极矩.根据计算结果,求解核运动的径向薛定谔方程得到相应电子态的振-转光谱常数、Franck-Condon(F-C)因子和振动能级辐射寿命.其中A^2Π—X^2Σ^+的F-C因子(f_(00)=0.923)、辐射寿命(τ=235 ns)满足激光直接冷却的条件.因此,我们基于分子转动跃迁提出了一个可实现Doppler激光冷却的光循环方案:A^2Π_(1/2)(υ′=0)—X^2Σ+(υ′′=0,1),其中υ′=0中包含2个转动能级,υ′′=0和υ′′=1中分别包含6个和4个转动能级.根据方案,模拟了激光冷却过程中的分子布居数动力学变化过程,并计算了初速度为100 m/s的BD^+,历经5.4 ms散射1150个光子可减速到4.6 m/s、温度为13 mK.

关键词： BD+离子组态相互作用方法光谱常数 Doppler激光冷却

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InAs/GaAs量子点激光器的增益和线宽展宽因子

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发光学报 2015年第5期36卷 567-571页

作者：许海鑫王海龙严进一汪洋曹春芳龚谦山东省激光偏光与信息技术重点实验室曲阜师范大学物理系山东曲阜273165 中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室上海200050

利用气源分子束外延技术生长In As/Ga As量子点激光器材料,制作了由5层量子点组成的500μm腔长的激光器。首次使用增益拟合和波长加权的方法计算了激光器的线宽展宽因子。其中,增益拟合是对Hakki-Paoli方法计算增益的重要补充,对判断不... 详细信息

利用气源分子束外延技术生长In As/Ga As量子点激光器材料,制作了由5层量子点组成的500μm腔长的激光器。首次使用增益拟合和波长加权的方法计算了激光器的线宽展宽因子。其中,增益拟合是对Hakki-Paoli方法计算增益的重要补充,对判断不同电流下的增益是否饱和具有重要作用。对最大模式增益求导数,当电流为50 m A时,差分增益最大值为1.33 cm-1/m A,然后迅速减小到0.34 cm-1/m A,此时电流为57m A（≈0.99Ith）。第一次使用加权波长来计算中心波长的移动,发现Δλ慢慢减小直至接近于0。整个计算方法避免了在直接选取数据点时造成的误差,线宽展宽因子计算值为0.12~2.75。

关键词：激光器增益差分增益波长移动线宽展宽因子

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蒙特卡罗方法研究层状含集团权重伊辛模型相变

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山西大学学报(自然科学版) 2023年第2期46卷 381-389页

作者：王孜阳丁成祥张万舟太原理工大学物理与光电工程学院安徽工业大学数理科学与工程学院中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室

三维Ising模型是统计力学中的一个非常重要的模型，在描述三维Ising模型的配分函数中引入集团权重因子n可以得到新的临界指数和普适类，但人们尚不清楚集团权重因子对其他晶格结构中的Ising模型的影响。本文尝试研究另外一种几何结构，... 详细信息

三维Ising模型是统计力学中的一个非常重要的模型，在描述三维Ising模型的配分函数中引入集团权重因子n可以得到新的临界指数和普适类，但人们尚不清楚集团权重因子对其他晶格结构中的Ising模型的影响。本文尝试研究另外一种几何结构，层状含集团权重Ising模型，通过将着色算法和Swendsen-Wang算法相结合给出高效的集团演化方法，计算出的磁化强度m、磁化率χ、比热Cv和宾德累积量Q，并拟合出临界指数y_t和ym以及其它指数α,β,γ,δη，υ。由于拓扑结构不同，尽管双层模型在n=1.5时也是一级相变，但临界指数与三维模型有所差别，表明两者属于不同的普适类。n=3时，能量直方图的双峰结构和磁滞回线表明双层模型发生一级相变，和三维晶格的结论一致。此外，本文发现了之前工作尚未注意到的现象，n≥3时，系统发生的是铁磁到反铁磁之间的几何相变。本文的结果对于理解统计力学自旋模型有一定的促进作用。

关键词：集团权重伊辛模型相变临界指数 Swendsen-Wang算法

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量子退火理论及其应用综述

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中国科学：物理学、力学、天文学 2021年第8期51卷 1-13页

作者：王宝楠水恒华王苏敏胡风王潮上海电力大学计算机科学与技术学院上海200090 南京工程学院计算机工程学院南京211167 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室特种光纤与先进通信国际合作联合实验室上海200444 密码科学技术国家重点实验室北京100878 鹏城实验室量子计算中心深圳518000

量子退火算法是在经典模拟退火算法基础上演进出来的一种新的量子优化算法.与经典模拟退火算法利用热波动来搜索问题的最优解不同,量子退火算法利用量子隧穿效应使得量子具有穿透比其自身能量高的势垒的能力,从而使算法摆脱局部极值,以... 详细信息

量子退火算法是在经典模拟退火算法基础上演进出来的一种新的量子优化算法.与经典模拟退火算法利用热波动来搜索问题的最优解不同,量子退火算法利用量子隧穿效应使得量子具有穿透比其自身能量高的势垒的能力,从而使算法摆脱局部极值,以更高概率逼近全局最优.目前,量子退火算法在组合优化类问题中已展现出良好的优化性能.本文系统地综述了D-Wave量子计算机核心原理——量子退火算法的基本概念及其应用领域,较为详细地分析了量子退火算法在密码学、旅行商问题、图着色问题、交通路径等领域的应用,并对未来量子退火算法的更多待深化与探索的方向进行展望.

关键词：量子退火 D-Wave量子计算机量子计算

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非平衡量子杂质系统中局域致冷效应的理论研究

非平衡量子杂质系统中局域致冷效应的理论研究

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作者：曾祥忠中国科学技术大学

学位级别：博士

本论文主要的课题为非平衡量子杂质系统中的局域致冷效应,尤其是强关联系统中的局域致冷,也就是在本论文中所预测的近藤致冷。在研究开放量子杂质系统前,首先需要选择合适的理论方法,用于处理量子系统。开放量子系统中,系统与环境之间... 详细信息

本论文主要的课题为非平衡量子杂质系统中的局域致冷效应,尤其是强关联系统中的局域致冷,也就是在本论文中所预测的近藤致冷。在研究开放量子杂质系统前,首先需要选择合适的理论方法,用于处理量子系统。开放量子系统中,系统与环境之间的耗散和电子与电子之间的强关联效应,对系统的动力学和热力学性质有着极其重要的影响。而级联运动方程方法在处理耗散和强关联效应方面,具有很大优势。所以,本论文的研究都是基于级联运动方程方法进行的。众所周知,一个电子元件通电后,会出现局域发热现象,而电子元件上温度的升高会降低其性能,甚至导致其损坏。所以,对局域致冷效应的研究具有非常重要的意义。也正因为如此,科研工作者们在局域致冷效应的研究上付出了巨大的努力:在理论上,他们发现了纳米结中的各种致冷机理,而后不久在实验上则直接观测到了分子结中的珀尔帖致冷现象。尽管如此,纳米结中致冷的强度还无法满足实际应用的需求。而且强关联效应和量子共振对纳米结中珀尔帖致冷的影响几乎还没有被研究过。为了阐明强关联效应和量子共振对纳米结中的珀尔帖致冷的影响,以及进一步增强珀尔帖致冷,本论文通过理论分析和数值模拟研究了量子杂质系统中的局域致冷效应。判断一个杂质系统是否处于致冷状态,其中一个重要的依据就是看其局域温度是否低于背景温度。所以,在研究珀尔帖致冷前,需要先找到一种合适的测量量子杂质系统局域温度的方法。几年前课题组进一步完善了用于测量局域温度的最小扰动条件方案。该方法不需要测量热流,因此在实验上是可操作性的。基于此方法,建立起了非平衡态系统与一个参比平衡态系统之间的对应关系,从而从物理本质上揭示了所测的局域温度的热力学意义。然而,该方案仅适用于单杂质系统的局域温度测量,而对多杂质系统无效。研究发现,非平衡单杂质量子系统中不存在着真正热力学意义上的局域致冷现象。因此,发展一种适合用于测量多杂质系统局域温度的方法迫在眉睫。基于课题组的前期工作,本论文在研究测量局域温度的方法方面取得了重要进展,尤其是提出了局域最小扰动条件方案。该新方案不仅可以适用于单杂质系统的局域温度测量,而且对多杂质系统依然有效,所测的局域温度均能最大程度上符合对应关系。利用该新方案,找到了量子杂质系统中局域致冷的条件,并预测了近藤致冷现象。本论文的框架如下:第一章首先简单介绍了开放量子系统,然后回顾了量子杂质系统研究方法的发展历史,接着介绍了用于处理量子杂质系统的级联运动方程方法和该方法在程序中实现的计算实例,最后介绍了近藤效应和热电效应。本章中介绍的一些基本概念、物理现象和研究方法是以下各章理论研究的基础。第二章研究了非平衡单杂质系统的局域温度。先揭示了基于最小扰动条件测得的局域温度是唯一的。接着发现,利用最小扰动条件测得的局域温度随能级的变化在近共振区会发生突变。最后,从理论分析和数值模拟两方面,阐释了该局域温度的突变来源于系统与电极之间强烈的量子共振。第三章提出了局域最小扰动条件方案。首先验证了在单杂质系统中,该方法与最小扰动条件方案是等价的。然后,利用局域最小扰动条件方案,所测量的串联双杂质系统的局域温度可以很好地符合对应关系,证明该方法适用于串联双杂质系统的局域温度的测量。从理论分析来看,局域最小扰动条件方案适用于任何杂质系统,包括单杂质和多杂质系统。所以,用于其他杂质系统局域温度的测量也完全没有问题。最后,利用局域最小扰动条件方案,研究了四杂质链的局域温度,发现量子共振会引起杂质链上局域温度的强烈震荡现象。第四章研究了偏压下无相互作用串联双量子点系统中的珀尔帖效应。首先通过局域最小扰动条件方案,计算了量子点系统的局域温度在不同量子点间和量子点-电极耦合随能级的变化,且发现通入电流后两个量子点的局域温度彼此不同。然后,展示了该系统对应的珀尔帖热和焦耳热的变化。最后,证实了珀尔帖热和焦耳热的变化导致了局域温度的变化。第五章预测了量子杂质系统中一种非常规的珀尔帖效应,即近藤致冷现象。首先找到了热流与热电势之间的关系,根据该关系,可以得出结论:一个绝对值很大的热电势是产生珀尔帖致冷的前提和必要条件。然后,基于轨道近藤效应会导致热电势(绝对值)很大的事实,设计了轨道近藤效应很强的串联双杂质系统。接着,通过逆向的热流和低于背景温度的局域温度两个判据,证实了杂质中这种强轨道近藤效应引起的珀尔帖致冷的存在。由于轨道近藤效应在这种致冷效应中起到了关键作用,本论文将轨道近藤效应导致的珀尔帖致冷现象命名为近藤致冷。最后,研究了在大范围外在条件下的珀尔帖致冷,发现在低温下近藤致冷是实现致冷唯一有效的手段。近藤致冷现象的发现,提供了一条迈向纳米制冷的新道路。第六章对本论文前面所有的研究工作进行了总结,并围绕开放量子杂质系统的局域温度和近藤致冷等课题,讨论了以后可以进一步深入研究的方向。

关键词：量子杂质系统级联运动方程量子共振热电效应局域温度近藤致冷

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量子随机性认证及量子密码实际安全性研究

量子随机性认证及量子密码实际安全性研究

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作者：费新伟中国科学技术大学

学位级别：博士

量子力学与信息科学的结合产生了量子信息科学。量子信息科学在基本微观粒子层面上,研究信息的表示、存储、传输和计算。主要包括:量子随机数、量子通信(量子密码,量子隐形传态)、量子计算、量子模拟、量子度量学等。量子随机数发生器(Q... 详细信息

量子力学与信息科学的结合产生了量子信息科学。量子信息科学在基本微观粒子层面上,研究信息的表示、存储、传输和计算。主要包括:量子随机数、量子通信(量子密码,量子隐形传态)、量子计算、量子模拟、量子度量学等。量子随机数发生器(QRNG)基于量子力学基本原理产生随机数,真正具有不可预测性和不可复制性,也被称为真随机数。无论对于经典密码还是量子密码,安全的随机源都是密码系统的基石,QRNG因其真随机和高速率在密码系统中具有广泛应用。然而,在QRNG实际设备不可信或者不完美的情况下,则需要采用量子随机性认证方法,来估计实际QRNG协议或系统中的量子随机性。量子密码,严格地说是量子密钥分发(QKD),基于量子力学基本原理,提供理论上无条件安全的秘钥共享方式。这种无条件安全假设窃听者拥有很强大的物理操作能力和计算能力,甚至可以拥有量子计算机、量子存储等。然而,实际QKD系统却面临很多安全挑战。由于物理器件与理论模型存在差异,实际QKD系统的光源端、探测器端和编解码器等都存在诸多安全漏洞。本人的研究主要关注与QRNG和QKD相关的安全问题。一方面,研究在设备不受信或不完美时,QRNG协议能够产生多少安全的真随机数,这部分工作偏重理论;另一方面,研究QKD实际系统安全性问题,实验验证其中的安全漏洞,这部分工作偏重工程。本文总结了博士期间在量子随机性认证和QKD实际安全性方面取得的一些研究成果,主要包括以下几个方面:1.我们研究了独立设备假设下基于维度目击的自检测QRNG协议。它主要解决设备不受信或不完美情况下的随机性认证问题。然而,前人工作中以维度目击值为变量的最小熵下界并不是紧的。我们通过引入拉格朗日乘子法来对平均猜测概率最优化问题进行分析,从而提出了一个更紧的解析形式最小熵下界。仿真结果表明,我们提出的最小熵下界可以实现更高的随机数生成速率。2.我们研究了独立设备假设下基于直接优化的QRNG协议。前人工作中没有讨论最小熵估计的最优性问题,没有给出最优估计。因此,该场景下QRNG的实际性能仍然受到严重抑制。在这里,我们提出了一种简化的设备模型并证明其与原始问题等价,且据此提出了一种新的方法来最优化最小熵。受益于这种违反直觉的设备模型简化,我们可以利用混合整数规划有效地解决最小熵优化问题。此外,在对称观测概率约束下,我们推导出了解析形式的最小熵下界。仿真结果表明,我们的工作在这种情况下给出了最优的最小熵下界,且与前人工作相比,带来了显著的性能提升。3.我们研究了 QKD系统的实际安全性且实现了探测器致盲攻击实验演示系统。由于物理执行与理想模型存在差异,QKD系统的实际安全性遭受巨大威胁。商用QKD系统通常采用雪崩二极管单光子探测器来进行单光子探测,这是一种门控阈值单光子探测器。Eve采用致盲攻击可以完全控制这种探测器的响应,从而可以获取Alice和Bob全部的密钥而不被发现。我们对于这种基于致盲的探测器控制进行了可行性测评,且在工程上实现了探测器致盲+截取重发攻击实验演示系统。

关键词：量子随机数发生器量子随机性认证量子密钥分发实际安全性

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低噪声电流源系统的研究及其在冷原子实验上的应用

低噪声电流源系统的研究及其在冷原子实验上的应用

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作者：杨雨萌中国科学技术大学

学位级别：博士

中性原子的激光冷却技术极大地推动了冷原子实验研究的进步。1997、2001、2005、2012这几年的诺贝尔物理学奖都和该领域相关。近20年来,冷原子实验在量子通信、量子计算、量子模拟和量子精密测量等量子物理前沿研究领域中占据越来越重... 详细信息

中性原子的激光冷却技术极大地推动了冷原子实验研究的进步。1997、2001、2005、2012这几年的诺贝尔物理学奖都和该领域相关。近20年来,冷原子实验在量子通信、量子计算、量子模拟和量子精密测量等量子物理前沿研究领域中占据越来越重要的位置,同时也对磁场这一调控冷原子的重要手段提出了越来越严格的技术要求,进而需要各种先进的电流源。例如,基于光晶格超冷原子的量子模拟实验需要输出100安级别、相对稳定度在ppm量级的电流源;原子气体间偶极相互作用的调节和环境磁场的动态补偿,需要10kHz带宽并且噪声也在ppm级别的双极性电流源;而小型可移动原子干涉仪则不仅要求电流源系统的噪声小,还要求功耗低且体积紧凑。这些要求大多都远超出了通用商用电流源的指标。因此,针对冷原子实验的需求,研究科学级的电流源技术有很重要的意义。本文针对前述三种冷原子实验的需求,研制了相应的电流源: (1)基于IGBT的百安培大电流调控系统:通过IGBT来调节输出电流,并用高精度磁通门传感器进行监测,经过运放进行PI运算后反馈控制IGBT的栅极电压使输出电流受到PI设定点的控制,实现了大电流的模拟控制且噪声极低,相对稳定度6ppm,很好地支持了光晶格超冷原子实验中的磁传输、射频蒸发冷却、单层原子切片等精细的原子操控; (2)高带宽低噪声双极性电流源:使用功率运放实现了±16 A的双极性电流输出能力,有较好的电源抑制比和电感驱动能力;在功率运放前加上精密运放进行PI运算,实现了输出电流的精准控制,输出噪声好于5 ppm,响应带宽可以通过PI参数在2 kHz到10 kHz范围调节,以适应不同的电感负载; (3)原子干涉仪电流源系统:在双极性电流源上改进,降低工作电压以实现低功耗,更换功率运放及检流电阻以实现更低的电流噪声及极低的漏电流,对积分电容进行开关控制以及在输出端增加MOSFET以实现输出电流的快速开关并优化过冲,最终实现了 5种电流需求在一个1U小机箱中的集成。这三种电流源系统经过了仔细测试,多个关键指标超越了商业电流源,并在多个实验中得到了验证,保障了实验顺利开展,也为新实验的设计提供了更多的选择。

关键词：电流源磁场控制冷原子低噪声双极性电流大电流

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量子随机数实验研究

量子随机数实验研究

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作者：聂友奇中国科学技术大学

学位级别：博士

量子力学与信息科学的结合,诞生了一个崭新的学科—量子信息学,主要包括量子计算与量子通信,其中量子通信提供了一个理论上无条件安全的通信方式,经过几十年的快速发展,已经到了实用化的阶段。在量子通信系统的研发中,关键器件的研制起... 详细信息

量子力学与信息科学的结合,诞生了一个崭新的学科—量子信息学,主要包括量子计算与量子通信,其中量子通信提供了一个理论上无条件安全的通信方式,经过几十年的快速发展,已经到了实用化的阶段。在量子通信系统的研发中,关键器件的研制起着至关重要的作用。事实上,当前量子通信领域激烈的国际竞争已经逐步演变成单光子探测与随机数产生等关键器件与关键技术研发的竞争。在量子通信系统中,需要用到大量的随机数序列,并且所用随机数的质量直接关乎到整个系统的安全性。在随机数产生技术中,通过测量量子物理系统中内秉的随机特性产生真随机数的量子随机数发生器(QRNG),输出的随机性是由量子力学基本原理所保证的,因此相比于其它随机数产生技术来说更具优势,自然地成为了量子通信系统中的关键器件与关键技术。本论文作者在博士期间的主要工作是QRNG的实验研究,主要集中在QRNG系统的实用化与现实条件下的安全性两个方面。在实用化方面,先后发展了基于光子到达时间测量、激光相位波动测量等方案的高速量子随机数产生技术,并研制了一个实时高速的QRNG模块,为未来超高速量子通信系统的量子随机数需求提供了可行的解决方案,推动了 QRNG的实用化进程。在现实条件下量子随机数的安全性方面,首次在实验上实现了测量器件无关(MDI)的QRNG(MDI-QRNG),有效地解决了现实条件下测量器件不完美对量子随机数产生引起的最小熵估计错误以及由此带来的安全隐患。本论文主要介绍了 QRNG相关的概念、原理、方案以及本论文作者在博士期间的QRNG实验研究工作。在光子到达时间测量的QRNG实验研究中,提出并实现了相对于外部固定参考的光子到达时间测量的QRNG方案,能够输出接近于理想均匀分布的原始随机数据,原始比特率达到了 109 Mbps。在激光相位波动测量的QRNG的实验研究中,实验实现了速率高达68 Gbps的QRNG,相比此前国际上最快的QRNG,速率提高了一个数量级。为了满足干涉仪稳定性的需求,主动反馈系统代替传统的温度控制系统实现了干涉仪的相位稳定控制。为了推动QRNG的实用化进程,在实验演示的基础上研制出实时速率为3.2 Gbps的QRNG模块,并首次在高速FPGA中实现了基于Toeplitz矩阵的实时高速的随机性提取算法。在现实条件下QRNG系统的安全性方面的实验研究中,首次实验实现了一种基于时间相位编码方案的MDI-QRNG,可以在不对测量器件进行标定甚至测量器件不可信的情况下输出经过认证的量子随机数,最终比特率为5.7 Kbps。这种全部使用光纤器件实现的系统为构建全集成式的实用化MDI-QRNG提供了一个有效途径。

关键词：量子通信量子随机数单光子探测光子到达时间激光相位波动 Toeplitz矩阵随机性提取时间相位编码测量器件无关

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高维量子保密通信基础技术研究

高维量子保密通信基础技术研究

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作者：王纺翔中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息科学是一门利用量子力学来研究信息科学的学科。尽管量子信息有众多子领域,其两个主分支为量子计算和量子通信。量子计算需要利用量子叠加和纠缠等特性,通常被用来解决某一类问题。量子计算由量子计算机实现。尽管其优势并不是... 详细信息

量子信息科学是一门利用量子力学来研究信息科学的学科。尽管量子信息有众多子领域,其两个主分支为量子计算和量子通信。量子计算需要利用量子叠加和纠缠等特性,通常被用来解决某一类问题。量子计算由量子计算机实现。尽管其优势并不是普适的,量子计算机在解决某些问题时甚至比最强大的超级计算机还要高效和迅速得多。量子通信的精髓在于把量子态从一个地方传输到另一个地方从而实现信息的传递。量子通信的基本动机是利用量子态编码量子信息。量子信息能完成很多利用经典信息很难完成或者完成效率极低的任务。最好的例证就是量子密钥分发(QKD)。量子通信包括很多子领域,如量子通信复杂度、量子掷币、量子承诺和量子数字签名等。在本论文中我们主要研究量子通信中最有实用化前景的量子技术—一QKD及其相关的量子信息处理技术。QKD是利用量子通信在通信参与方之间建立安全的密钥分发系统的过程。通常参与者为两方,分别被称为Alice和Bob。任何第三方都不能获取被分享密钥的任何信息。这是由量子力学中的两个基本性质保证的:海森堡不确定性原理和量子不可克隆定理。如果第三方(通常被称为Eve)尝试获取密钥信息,就会导致被传输的量子态发生改变。那么Alice和Bob就会发现第三方并终止密钥分配过程。一旦分配过程被建立,被分配的密钥就可以用于一次一密的加密过程,而一次一密的加密方法原理上是不能被破解的。因此,QKD也是原理上安全的。QKD是量子信息中第一个实现商业化的分支并且已经形成了一个相对成熟的市场。然而,QKD依然有很多需要解决的问题,例如,如何提高安全密钥分配速率来满足实际使用的需求?如何保证非完美设备构成的实际QKD系统的安全性?提高密钥分配速率的基本思路是提高系统的通信频率,如提高量子态的制备、调制和测量速率。另一个思路则是增加系统使用的量子态的维度。系统的实际安全性依赖于设备的具体使用形式。在修补漏洞前我们需要首先研究和理解设备的特性。QKD一般由三部分组成:a.随机制备初始量子态;b.调制量子态以实现信息的加载和提取;c.对量子态进行投影测量。本论文的工作聚焦于高维QKD的基础技术研究,涉及全部三个部分,详细内容如下所示:1.一个基于雪崩光电二极管(APD)的量子随机数发生器(QRNG)的实现。QKD要求随机的态制备和测量机选择,这些过程需要消耗随机数。确保使用真随机数是QKD安全性的前提。QRNG的随机性由物理源的量子效应保证,是产生真随机数的合适选择。通过将von Neumann编码方法推广到高维情况,本论文中的QRNG抗环境扰动,不需要复杂的后处理过程,适合实际应用场景。2.关于InGaAs/InP单光子雪崩光电探测器(SPAD)后脉冲的非马尔科夫特性研究。第一次完成了 SPAD后脉冲的非马尔科夫特性的理论和实验研究。其非马尔科夫特性意味着后脉冲与雪崩历史相关。由于后脉冲是高效、高速SPAD的一个主要限制,因此非马尔科夫模型使得后脉冲机制更加清楚,对相关制造工艺具有指导意义。同时,该模型也为非完美器件条件下QKD的实际安全性评估提供了新的思路。3.关于轨道角动量(OAM)光子态的非破坏操纵研究。OAM自由度在高维量子信息处理中有很好的应用前景,因为原则上OAM的量子数能达到无穷。但是,仍然有很多困难阻碍着OAM光子态的进一步应用。这些困难包括叠加态的高效制备和测量以及高维量子变换的有效实现。在本论文中,a.实现了一个改进的高保真度单路Sagnac干涉仪,该干涉仪易于实现且能在无主动控制的情况下长时间稳定运行,比原始Sagnac干涉仪提高了 5%～10%。这些优点表明该干涉仪可适用于量子通信。b.基于a中改进型Sagnac干涉仪设计了一个相位操纵模块(PMM)并实现了高维受控相位门。受控相位门是量子信息处理和量子通信中的一个重要量子变换。该PMM能保持自旋-OAM杂化叠加态的相位,同时也适用于经典光通信。c.提出来一个用于高维OAM态分离的可扩展方案,该方案能同时分离不同阶的OAM态。该可扩展分离器由高维量子变换子单元组成,能显著地减少资源消耗。

关键词：量子信息处理量子通信量子密钥分发量子随机数发生器单光子雪崩探测器后脉冲效应轨道角动量高维

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远距离量子通信

远距离量子通信

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作者：张军中国科学技术大学

学位级别：博士

20世纪最主要的革命性科学成果包括：相对论、量子力学、信息论。从20世纪80年代开始，由量子力学和信息科学相结合诞生了一门崭新的学科-量子信息学，主要包括量子通信和量子计算。由于其潜在的应用价值和重大的科学意义，近些年来量... 详细信息

20世纪最主要的革命性科学成果包括：相对论、量子力学、信息论。从20世纪80年代开始，由量子力学和信息科学相结合诞生了一门崭新的学科-量子信息学，主要包括量子通信和量子计算。由于其潜在的应用价值和重大的科学意义，近些年来量子信息学引起了科学界和工程界极大的关注。经典计算机中信息处理的最基本单元是比特即二进制数0或1，而由于量子力学的线性叠加原理使得量子计算机可以同时处理0和1的任意相干叠加态即qubit。这种并行处理极大地提高了计算速度，可以把一些经典计算中无法计算的NP问题即问题的复杂度随着比特位数的增长而指数上升，变成P问题即问题的复杂度随着比特位数的增长以多项式上升。1994年，Bell实验室的Peter Shor证明量子计算机可以有效解决经典计算机所不能解决的大数因子分解问题，而这恰恰是目前经典密码的安全性基础。所以，Shor量子算法的发现使得当前密码系统毫无保密性可言，对军事、政府、国家安全、金融等领域构成了极大的威胁。幸运的是，量子信息学同样提供了一种安全的通信方式，通常称之为“量子密码”，或量子密钥分发，量子力学基本定理之一的不可克隆定理保证了量子密码的无条件安全性。1984年，IBM公司的Charles Bennett和加拿大Montreal大学的Giltes Brassard提出第一个量子密钥分发协议-BB84协议并在1992年完成了第一个量子密码实验演示。此后，尤其是Shor算法提出以后，由于量子信息领域的重要性，各国政府及研究部门对此均十分重视，所以整个领域理论和实验方向均得到了高速的发展。而量子密码作为量子通信的最重要的分支，已经开始走向实用化，甚至已经有公司开发了量子密码的商用产品。除了量子密码，量子通信的其他研究内容有：单光子源、纠缠源、通信复杂性、量子态隐形传输、密集编码、纠缠交换、纠缠纯化、量子中继器、纠缠同步、量子存储、比特承诺、密钥共享、多方通信、远程克隆等等。而在所有的量子信息研究中，量子纠缠作为核心资源扮演着极其重要的作用。量子纠缠的物理思想最初来自于1935年Einstein等人对量子力学完备性的质疑(EPR佯缪)。虽然到目前为止，量子纠缠的本质还没有彻底的弄清楚，但是这并不妨碍它的应用。一方面，它可以用来检验量子力学的基本问题如Bell不等式等，进一步认识量子非定域性等经典物理不可能产生的现象。另一方面，它可以应用于量子信息研究。一般地，量子通信的信源主要采用单光子源或纠缠源，而量子信道主要有自由空间信道和光纤信道。在本论文中，我们将主要讨论远距离量子通信的实验研究，包括超过13km自由空间纠缠分发、基于极化编码的102km诱骗态量子密钥分发、一种无共享参考系的量子通信等。除此之外，我们还将介绍利用多光子纠缠降低多方通信中通信复杂性的实验演示，以及利用两光子高维纠缠态实验验证一种All-Versus-Nothing型的局域实在违背。由于当前种种技术上的限制，光纤量子通信的最大距离受到限制，而要实现远距离量子通信，主要有两种方案。第一种方案是鼍子中继器方案，即把通信双方的信道分成N段，在每一段分别产生纠缠，通过纠缠交换使得在相邻两段间建立纠缠并通过纠缠纯化的方法进一步提高纠缠源的品质，从而最终在遥远的通信双方间建立纠缠，并可以用量子存储的方法保存纠缠资源。第二种方案是自由空间方案，即通信方之一的Alice通过人造卫星把单光子源或纠缠源分发至Bob，这种方案的最大优点是可以实现任意两点间的通信，也是全球化量子通信必不可少的手段。由于地面-卫星之间的自由空间信道的衰减主要集中在地面大气层，其等效厚度约为5km，往返两次的信道衰减等效于地面大气层的10km。我们小组完成的13km自由空间纠缠分发首次实验验证了地面-卫星之间基于纠缠的量子通信的可行性，同时观测了类空间隔条件下Bell不等式的破坏，说明了纠缠在长距离的范围内依然能够保持。在光纤量子通信中，由于光纤材料中存在的极化模式色散效应以及传输信道环境的影响，从而使得极化qubit发生退相干不利于长距离光纤通信。2005年，加拿大Waterloo大学Laflamme小组提出利用“时间标记”的方法可以克服信道中的极化模式集体旋转噪声。实验上，我们实现了这种不需要共享参考系的量子通信方案，并分别在长距离光纤和短距离光纤情况下演示了这种方案的鲁棒性。长距离光纤量子通信中另一个重要的问题是单光子源，由于完美的单光子源目前技术上还无法实现，通常实验上是采用弱相干脉冲光源。但这种光源在长距离光纤量子通信中存在着重大的安全性漏洞，窃听者可以使用光子数分离攻击获得发送方的完全信息，使得双方通

关键词：量子通信不等式量子密码单光子源光子对量子密钥分发

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