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范例一：(K=图书馆学 OR K=情报学) AND A=范并思 AND Y=1982-2016
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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...
- 71 篇 网络空间安全
- 51 篇 仪器科学与技术
- 42 篇 材料科学与工程（可...
- 33 篇 信息与通信工程
- 32 篇 软件工程
- 28 篇 控制科学与工程
- 17 篇 机械工程
- 14 篇 化学工程与技术
- 12 篇 地质资源与地质工...
- 5 篇 航空宇航科学与技...
- 4 篇 动力工程及工程热...
- 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...
- 3 篇 公安技术
303 篇 理学
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- 11 篇 化学
- 6 篇 系统科学
- 3 篇 天文学
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56 篇 军事学
- 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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测量设备无关量子密钥分配的实用化研究

测量设备无关量子密钥分配的实用化研究

引用

作者：王超中国科学技术大学

学位级别：博士

在当今的信息社会,信息安全的重要性不言而喻。小到个人隐私,大到政务,金融,以至于国防,都与其息息相关。尤其是在信息科技飞速发展的今天,如何确保信息存储与传输的安全,已然成为一个意义异常重大的课题。然而,目前被广泛应用的公钥密... 详细信息

在当今的信息社会,信息安全的重要性不言而喻。小到个人隐私,大到政务,金融,以至于国防,都与其息息相关。尤其是在信息科技飞速发展的今天,如何确保信息存储与传输的安全,已然成为一个意义异常重大的课题。然而,目前被广泛应用的公钥密码体制基于复杂的数学问题,其安全性首先并未得到严格证明。而且随着二十世纪末量子信息技术的发展,特别是量子计算技术的研究与进展,对此类数学密码的安全性提出了新的挑战。为了应对新世纪的信息安全威胁,一种基于量子物理规律的新型密码学类型,量子密码学,由***和***于1984年提出,并逐渐得到世界范围内广泛的研究与应用。量子密码学的基本原理即是在量子物理定律约束的条件下,利用量子态的特殊性质,合法通信方能够容忍、检测并剔除窃听者在传输信道中任意可能的窃听,解决了远距离通信方之间密钥分配的难题。结合已被证明理论上绝对安全的“一次一密”加密方案,则可以构建理论上无条件安全的保密通信系统。相较于数学密码,量子密码学建立在物理系统之上,其理论上的“绝对安全性”受限于实际材料、器件的非完美特性,以及制备、测量过程中的偏差等不可避免的现实因素,使得量子密钥分配系统的实际安全性研究成为其实用化过程中至关重要的部分。测量设备无关量子密钥分配协议(MDIQKD),作为目前可实地部署的安全性最高的量子密钥分配协议,可以自然地抵御所有可能的针对测量端的攻击,避免了大部分实际安全隐患。所以自从提出以来,MDIQKD便受到了广泛的关注与研究。从目前的研究现状来看,主要有两个方面。第一,由于MDIQKD协议对实验系统提出了更高的要求,所以如何实现稳定、高速的MDIQKD部署则成为了一个关键的问题。第二,由于MDIQKD系统的安全性仍然要求完美的量子态制备,所以对系统的实际安全性,特别是光源安全性的研究便尤为重要。本文以MDIQKD的实用化为主要内容,针对以上两个方面,完成了包括测量设备无关类量子密钥分配协议的实验研究,器件非完美性分析和真随机数研究等,主要研究成果概括如下:1.针对实际量子密钥分配系统的测量端设备易受攻击以及通信双方编解码参考系需要时常校准的问题,我们设计并实现了参考系测量设备双无关量子密钥分配系统。该系统在免疫针对探测端所有可能的攻击的情况下,有效降低了通信者之间对参考系校准的要求,避免了在参考系校准过程中引入额外的系统开销或者安全隐患,有效提升了测量设备无关量子密钥分配技术在复杂网络环境下的可用性。2.针对编码光脉冲在实地光纤信道中的偏振敏感问题,我们在发送端增加主动扰偏装置,在测量端采用偏振态分离探测结构,设计并实验验证了环境鲁棒型测量设备无关方案。通过摒弃测量设备无关协议执行过程中的主要参考系校准过程,该方案同时消除了通信双方编码量子态相位漂移以及信道偏振扰动对系统稳定性产生的影响,保障系统在复杂实地条件以及多用户网络环境下的鲁棒性,并且有效避免了参考系校准过程引入的潜在安全性漏洞,并进一步降低了测量设备无关量子密钥分配系统在实际使用环境下的资源消耗,提高了多节点网络的部署效率。3.针对测量设备无关系统中的光源安全性问题,我们利用传统QKD系统中舍弃的基不匹配信息,实现了无需编码监测的测量设备无关量子密钥分配实验系统。该方案可以在无需对编码态误差进行监测的前提下,有效估计量子态制备非完美情况下的窃听者信息量,从而避免了对量子态制备及其监测误差的估计。此外,该方案不对原始测量设备无关量子密钥分配系统进行更改,提高了系统的实际安全性,避免了额外的资源消耗,更加适用于真实使用环境。4.为了构建稳定、高效的测量设备无关量子密钥分配系统,其核心组成部分Hong-Ou-Mandel干涉特性需要进行严格分析。针对该问题,我们构建了相关分析模型,对多种实际器件非完美特性进行综合考量,指出APD探测器的后脉冲效应将会对最终的干涉可见度有显著的作用,并将最终影响测量设备无关系统的性能表现。该工作为Hong-Ou-Mandel干涉的实际应用及测量设备无关量子密钥分配系统的分析与设计具有指导意义。5.在量子密钥分配系统中,理想、可信的真随机源至关重要,直接影响了系统的安全性与稳定性。据此,我们提出并实现了一种基于雪崩光电二极管的量子真随机数发生器方案。该方案基于时间编码,无需后处理即能产生随机性优异的无偏二进制比特序列。此外,该方案免疫环境变化,性能稳定,适用于复杂环境,并且易于集成扩展,为量子保密通信系统的搭建提供了一种全新的辅助手段。

关键词：量子密钥分配系统实际安全性测量设备无关协议量子真随机数发生器

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基于光与离子的量子网络构建

基于光与离子的量子网络构建

引用

作者：曹冬阳中国科学技术大学

学位级别：博士

在20世纪的物理学界中,量子力学无疑是最璀璨的一颗明珠。它虽然反物理直觉,但是完美地符合实验。随着量子力学的深入发展,又派生出了一系列交叉学科。量子信息学就是其中的佼佼者。量子信息学的核心是将信息通过量子态来编码,利用量子... 详细信息

在20世纪的物理学界中,量子力学无疑是最璀璨的一颗明珠。它虽然反物理直觉,但是完美地符合实验。随着量子力学的深入发展,又派生出了一系列交叉学科。量子信息学就是其中的佼佼者。量子信息学的核心是将信息通过量子态来编码,利用量子态本质上的叠加性,完成经典信息学不能完成的一些任务。在完成某一个任务的过程中,需要对量子态进行各种处理,包括制备、传输、旋转、存储、测量等。为了完成对量子态的操作,我们需要一个或者多个量子系统。现今,比较热门的系统有光学系统、囚禁离子系统、中性原子系统、量子点系统、NV色心系统、超导电路系统、核磁共振系统、腔量子电动力学系统、腔机械振子系统等。其中,光学系统拥有优良的传输性能和简单的量子态处理手段。囚禁离子系统拥有极长的相干时间,极强的相互作用势。这篇论文,我们将精力放在这两个系统上。我们简要地介绍了这两个系统的基本原理,主要地讨论了基于光子系统和囚禁离子系统的量子网络搭建。取得的成果有如下几个： 1.多用户到多用户的通信波段偏振纠缠光子的纠缠分发：由于通信波段光子在光纤中传输的损耗极小,所以它们已经被广泛地用于许多量子通信实验。这里,我们用通信波段偏振纠缠光子结合局域的波分复用设备来搭建量子纠缠分发器。我们用Beamlike型参量下转换源来制备通信波段的偏振纠缠光子。这样做的优势是可以扩展到多个量子节点,从而进行一系列多方量子通信。我们实验上演示了我们的通信波段偏振纠缠源的保真度和纠缠度都大于95%。并且,在经过长距离的光纤传输后,纠缠度仍然能够得到保持。在纠缠分发实验中,我们演示了经过波分复用器纠缠分发后,多用户到多用户的纠缠度仍然得到保持。我们也演示了多用户之间的纠缠违背CHSH不等式。最后,作为我们纠缠分发源的一个应用,我们验证了这个源能够提取量子密钥,并且计算了多用户之间的量子密钥率。 2.非局域非马尔科夫环境的纠缠保护：由于光子在量子信道中传输会受到各种退相干机制的影响,所以需要某种方法来保持光子的相干性。这里,我们演示了光子开放系统可以利用初始环境中的的信息。光子系统在局域环境的作用下显示马尔科夫性,即光子的相干性会慢慢消失。但是,符合环境中的初始关联性会导致非局域动力学,这会显示非马尔科夫性,即光子的相干性会恢复。我们演示了通过改变初始环境之间的关联特性来控制光子开放系统的动力学演化。反过来,我们还演示了通过测试光子系统的相干性变化,可以间接地得到环境之间的关联度。最后,我们演示了通过改变环境的演化方式,可以保护光子系统的相干性,使其相干性完全不被环境破坏。 3.基于光子离子的多用户量子网络：量子网络的核心是有效地在物质量子比特和飞行量子比特之间转换量子信息。我们这里提出了在现有实验技术的情况下,可以有效地通过声子模在离子与离子之间转换量子信息,也可以有效地在光腔中离子和腔光子中转换量子信息。因此,我们可以将由多离子组成的量子节点中任一用户的量子信息传递给另一量子节点的任一用户,或者使得他们分享纠缠态。并且,我们也估算了这种协议的成功概率。

关键词：量子网络囚禁离子线性光学纠缠分发非马尔科夫性

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量子模拟与自由空间量子通信实验研究

量子模拟与自由空间量子通信实验研究

引用

作者：刘畅中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息作为交叉学科主要应用于通信与计算。在通信方面各国正朝着构建全球天地一体化的保密通信网络而努力。在计算方面,由于信息时代对于处理海量数据的迫切需求,使政府与各大科技公司投入巨量资金用以开发量子计算机。可以说量子信... 详细信息

量子信息作为交叉学科主要应用于通信与计算。在通信方面各国正朝着构建全球天地一体化的保密通信网络而努力。在计算方面,由于信息时代对于处理海量数据的迫切需求,使政府与各大科技公司投入巨量资金用以开发量子计算机。可以说量子信息的发展与人们未来的生活是息息相关的,一方面随着保密通信网络的建成,国防安全与民众隐私可以得到有力保障,另一方面量子计算机的成功实现可以改变人们的生活方式、医疗水平等诸多领域。本文所研究的工作,在量子通信与量子计算上都做出了贡献。其中白天量子密钥分发实验实现,是构建全球卫星网络必不可少的实验验证。因为卫星网络需要由多颗卫星组成,且不可能每颗卫星都处于地影区,为了完成卫星之间的量子光通信,必须具备在日光下实施量子密钥分发的技术手段。这正是本文在量子通信领域所做出的贡献。在量子计算领域本文完成了两项重要工作,分别是实现十光子纠缠态制备与任意子路径拓扑验证。多粒子纠缠一直是量子计算的核心资源,纠缠粒子的数量直接决定量子计算的计算能力。而光子作为最易操控的量子比特载体,一直得到人们的广泛关注。在本文的工作中,首次实验实现了十光子纠缠态,这对于今后量子计算机的发展有着巨大帮助。同时,由于具备了更多的量子比特资源,使得我们可以进行更复杂的量子模拟,任意子路径拓扑实验就是我们在此条件下开展的一项验证工作。任意子由于其拓扑性质,可以用来实现硬件上的可容错量子计算,即拓扑纠错。而我们的实验,正是对任意子的拓扑性质进行了实验验证。众所周知量子纠错的能力决定了量子计算的效率,而拓扑纠错由于其内在特性,使得它极可能成为普适量子计算机的选择。我们的工作可以说为将来量子计算机的发展奠定了基础。除了应用领域,本文还对量子力学本质进行了研究。量子鸽笼实验正是对量子效应的一种探索。在这项工作中,我们展现了一种新的量子效应,即3个粒子同时存在于2个盒子中,且没有两个粒子在同一个盒子中。这种量子效应改变了我们对量子物理中最基本的一些概念的理解,这些概念包括可分性,相关性以及交互性。这对于人们理解量子力学提供了一种新的途径。

关键词：量子密钥分发多光子纠缠任意子量子效应

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冷原子系统中量子模拟与量子计算的相关方案

冷原子系统中量子模拟与量子计算的相关方案

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作者：董冬中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息科学是一门将量子力学的基本原理和方法应用于信息科学的交叉学科，它有着很多的研究领域与分支:比如量子计算、量子模拟、量子通信等。由于量子力学特性的支持，量子计算机以及应用于其上的算法在速度上相对经典计算机有着不... 详细信息

量子信息科学是一门将量子力学的基本原理和方法应用于信息科学的交叉学科，它有着很多的研究领域与分支:比如量子计算、量子模拟、量子通信等。由于量子力学特性的支持，量子计算机以及应用于其上的算法在速度上相对经典计算机有着不可比拟的优势;同时量子模拟的方案也能很好地解决现有计算方法无法模拟量子力学原理下多体物理系统的问题;而量子通信则有着不可克隆与测量塌缩的性质，因而在保密通信研究中有很重要的地位。基于包括以上几点在内的很多原因，量子信息科学自诞生之日起就受到广泛的关注并吸引着大量的科研工作者前来研究。\n 在这篇论文中，我们首先着重介绍了其中量子计算，量子模拟的基本原理和过程。在量子计算方面，我们阐述了实现高保真度相位门的重要性，并提出了一个实现2量子比特相位门的方案;我们还说明了纠缠态的制备在量子网络的实现以及其他量子计算的应用中都有很重要的地位，并提出了一个将一般混态进行纯化的方法。在量子模拟方面，我们着重说明了光晶格系统与人工规范场，并提出了光晶格系统中的一个普适的单粒子定向输运方案;研究了人工规范场下加入平面磁场的Rashba自旋轨道耦合系统的一些性质。这些工作内容具体表述如下:\n 1:我们提出了一个控制一维光晶格中冷原子进行定向输运的方案。在该方案中，我们将邻近格点间的有效隧穿通过隧穿相干破坏(CDT)的方式进行调节。不同于以往的调节外加驱动场频率或强度的方式，我们的方案用相位的调节取代频率与强度的调节来实现CDT，因而可以更容易地实现定向量子输运。我们的方案克服了Creffield et al[***.99，110501(2007)]方案的主要不足，原则上可以被应用到任何一维光晶格中。我们也讨论了该方案下的一些其他有潜力的应用。\n 2:我们提出了一个对一般纠缠混态进行纯化的方案。在该方案中，我们从大量一般纠缠混态对出发，最终通过局域操作和经典通信制备出少量处于拥有更高纠缠度的Bell对角态的粒子对。同时作为一个特例，该方案也可以从一对特定纠缠混态中直接提取出最大纠缠态。我们还进一步提出了该纯化方案用偏振光分束器和光子探测器组成的一种线性光学实现方法。\n 3:我们提出了一个利用光腔QED中的原子实现2量子比特相位门的实验方案。这个方案中的相位变化主要利用腔模光场与Λ构型的3能级原子间的色散相互作用来完成，这种相互作用已经实现，不过是被用于自旋压缩的实验中，并没有用于实行相位门的方案。我们还讨论了腔耗散对门操作保真度的影响，并说明了该方案中门操作的保真度在腔耗散的影响下依然很稳定，从而在现有的实验条件下也可以实现高保真度的2量子比特相位门。\n 4:我们研究了受横向磁场影响的纯Rashba型自旋轨道耦合波色气体系统。通过平均场近似理论的计算，我们得到了系统在零温下的相图，并发现系统含有3个相:平面波相(PW)，条纹相(SW)和零动量相(ZM)。我们的计算也说明随着外加横向磁场的增大，SW相和ZM相最终都会变为PW相。我们还进一步使用Bogoliubov理论计算了系统的激发模与声速。

关键词：冷原子系统量子模拟量子计算量子力学平均场近似

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拓扑相在费米光晶格中的量子模拟

拓扑相在费米光晶格中的量子模拟

引用

作者：王斌中国科学技术大学

学位级别：博士

如今，多体物理的拓扑相成为了凝聚态理论和实验研究的重要发展方向。对于传统凝聚态而言，物质的相和相变由朗道的对称性破缺描述。1982年发现的分数量子霍尔效应揭示了物质中的新奇相，发现具有相同对称性的相具有明显不同的物理性质... 详细信息

如今，多体物理的拓扑相成为了凝聚态理论和实验研究的重要发展方向。对于传统凝聚态而言，物质的相和相变由朗道的对称性破缺描述。1982年发现的分数量子霍尔效应揭示了物质中的新奇相，发现具有相同对称性的相具有明显不同的物理性质。随后，拓扑序的提出，拓展了人们对多体物理的认识。2005年，Kane和Mele提出的量子自旋霍尔效应给能带理论带来了新生。由于能带的拓扑而产生的奇异边缘态引发了广泛的关注，随后拓扑绝缘体和拓扑超导体的提出，成为材料科学新的方向。\n 另一方面，量子模拟和量子计算在近十几年发展迅速。随着拓扑序的提出，利用材料的拓扑相和Majarana费米子作拓扑量子计算的方案引发了广泛关注。由于其干净的环境、易控的相互作用和多样的格点几何，利用激光在低温下囚禁和控制原子的冷原子技术成为了研究拓扑相的一个可靠的量子模拟平台。通过设计不同的激光和磁场，可以构建丰富的物理模型以及实现各种不同的拓扑相变。拓扑相的量子模拟不仅能丰富对多体物理系统的认识，而且能有助于拓扑材料机制的发现和寻找。\n 在上述背景下，本论文的研究集中在冷原子体系中对拓扑模型的量子模拟和研究上。我们通过将是否考虑相互作用将拓扑相分成拓扑绝缘体和多体拓扑相。拓扑绝缘体（包括拓扑超导体）由拓扑能带理论描述，可以通过常用的三种对称性将其分成十类。能带的拓扑性质可以由拓扑不变量描述，系统的拓扑取决于价带的拓扑数，在能隙中对应开放边界下的边缘激发。多体拓扑相可由多体系统的简并基态波函数描述，或者根据局部幺正算符进行等价关系分类。相同对称性下，不同相之间无法使用局部幺正算符进行演化。非平庸的拓扑相，即与单粒子直积态不等价，在边界可以对应分数化的边缘激发。在冷原子中，可以利用激光技术实现多体物理系统的基本要素。在实验上，通过控制激光场的不同模式来实现不同的光晶格，以及在光晶格中通过磁场的调制实现相互作用的控制。\n 结合上述情况，我们在光晶格中设计了两个重要的物理模型的量子模拟方案，用来研究拓扑相和拓扑相变的性质:其一，一维Kitaev链的冷原子实现方案。我们利用两层错开的光品格和费米子相互作用的特性，在简单的s波相互作用的环境下，我们实现了p波超流的物理相。并在不同的调制下，研究了拓扑相变和边缘态。其二，一维Haldane相的冷原子实现方案。我们利用碱土金属的自旋自由度性质，实现强关联的自旋相互作用体系，并利用量子显微镜下的波函数图像，以统计的方式研究拓扑相和拓扑相变。我们认为，重要物理模型的冷原子的实现，不仅有助于研究该物理系统的性质，而且其中关键哈密顿量的实现扩展了冷原子作为量子模拟平台的工具箱。实验上，上述两个模型中的方案和技术，易于实现和操控的，同时易于拓展到更复杂的情况。

关键词：冷原子光晶格量子模拟拓扑相变

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基于掺杂自旋的EPR量子计算研究

基于掺杂自旋的EPR量子计算研究

引用

作者：杨佳慧中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息学是建立在量子力学和信息科学基础上,研究新型信息处理方法的一门学科,包括量子密码术、最子通信和量子计算机等几个方面。量子计算机作为量子信息学的一个主要研究分支,是一类基于量子力学原理,可进行高速度并行数学和逻辑运... 详细信息

量子信息学是建立在量子力学和信息科学基础上,研究新型信息处理方法的一门学科,包括量子密码术、最子通信和量子计算机等几个方面。量子计算机作为量子信息学的一个主要研究分支,是一类基于量子力学原理,可进行高速度并行数学和逻辑运算,因此在许多复杂计算问题上能超越基于经典物理原理的经典计算机,并且能够存储及处理量子信息的新型计算机。而量子计算正是研究如何建造这样一种新型的量子计算机。理论上,量子计算机在很多方面优于经典计算机：一方面,经典计算机芯片存在着进一步集成的技术困难,尤其是散热等突出的问题,限制了其计算速度,而这些问题都不存在于量子计算机；另一方面,量子计算机可以实现一些经典计算机不能解决的问题,比如大数分解等。因此,量子计算机为计算机的发展开辟了一个新的天地。然而,量子计算的实验实现,首先需要对量子体系进行初始化,再对其进行相干控制和操作,最终对存储在量子体系中的信息进行读取。迄今为止,可用于量子计算实验的物理体系主要有：核自旋、电子自旋、光子、离子阱、超导Josephson结等。其中电子自旋,由于其操作时间远小于核自旋(相差三个数量级),具有很大的优势,并存在着可扩展的潜在发展趋势。电子自旋量子体系是一些具有未配对电子的材料。在本文中,我们主要研究两种人工合成的两种单分子磁体材料,分别是内嵌原子富勒烯和由15个钒离子构成的大分子。首先,我们重点考察一类内嵌富勒烯的新型材料,它不仅是具有未配对电子的材料,同时其体现出来的电子自旋特性也表明它是可用于量子计算实验研究的一类好的材料。因此,本文对这类内嵌掺杂富勒烯样品进行系统的理论及实验研究,如样品的制备、分离提纯到连续波电子顺磁共振谱(EPR)测试、解谱,和用脉冲式电子顺磁共振谱实现相干态的读取、相干时间的测量与相关量子操控的实验。根据已有的方法,我们首先合成了内嵌非金属的独立氮原子富勒烯样品——N@C60,深入研究了这种适合做量子计算样品的电子结构,并做了进一步的研究：实验上合成了一种有序排列的N@C60单晶样品的电子结构,于其中观察到较强的零场分裂,丰富了样品的能级结构并可用于量子比特的编码。接着,我们还研究了内嵌金属原子的富勒烯材料,与N@C60不同,金属内嵌富勒烯的内嵌金属与C笼之间存在着电荷转移,即非定域电子分布,金属原子往往并不处于C笼的中心,未成对电子会离域到C笼上,而不像N@C60那样局域在C笼内部。作为对比,我们选择Y@C82的电子结构作为对比研究,对其中的电子及核自旋进行量子编码和实验读出。此外,各种内嵌富勒烯材料还可以由AFM或STM来进行单分子观测,最终实现单分子的、单自旋的探测与操控。另一方面,我们把研究方向由电子自旋主要定域于单个原子的内嵌金属富勒烯,扩展到含有多个过渡金属原子、具有特殊磁学性质的交换耦合大分子——单分子磁体,这是一类单个分子呈现出宏观磁体磁性现象,且单个分子自身也同时体现量子特性的,同时具有宏观磁性和微观量子特性的新型材料。实验上,我们合成了单分子磁体V15,利用X-波段电子顺磁共振波谱技术研究其电子结构,首次实验观测到了V15基态能级的相干演化过程。通过对内嵌原子富勒烯和V15等单分子磁体样品的制备及电子结构的连续波及脉冲EPR实验研究,为我们最终实现量子计算提供了理论和实验基础,如将内嵌富勒烯分子结合到AFM或STM的基底上,那将可以实现单个分子量子信息的读取及单自旋操控,或者将其与单自旋NV色心样品耦合起来,提高NV色心体系的可扩展性。

关键词：量子计算内嵌富勒烯电子顺磁共振单分子磁体

来源：评论

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强关联开放量子体系非平衡自旋动力学的理论研究

强关联开放量子体系非平衡自旋动力学的理论研究

引用

作者：丁旭中国科学技术大学

学位级别：博士

当物理系统存在本质的、不可被忽略的强电子关联作用时,通常会表现出传统的微扰理论以及常规近似技术难以解释的奇异现象。深入理解并恰当利用这些物理现象不仅在电子结构、量子输运、量子计算等领域的研究中至关重要,而且在推进基础量... 详细信息

当物理系统存在本质的、不可被忽略的强电子关联作用时,通常会表现出传统的微扰理论以及常规近似技术难以解释的奇异现象。深入理解并恰当利用这些物理现象不仅在电子结构、量子输运、量子计算等领域的研究中至关重要,而且在推进基础量子物理学的认识和开发新技术方面也起到了不可或缺的支撑作用。面对这一挑战,本论文以探索强关联开放量子体系中各种非平衡自旋动力学的特征和规律为核心开展了一系列工作,包括开放体系数值方法的发展、理论模型的求解以及实际体系的模拟等,从而为实现各类强关联物理现象的深入理解、精准表征和按需操控这一长远目标奠定了理论研究基础。为了清晰的界定本论文的研究范围,我将在第1章中明确给出研究主题中相关概念的具体含义,并且阐明本论文的研究着手点在于具有强电子关联特征的开放量子体系在环境影响下所表现出的响应行为。随后,第2章将介绍本论文所采用的研究方法,主要包括理论框架、具体方法,以及数值实现三个部分。我将在量子耗散理论的思想下开展强关联问题研究,即将研究对象看作一个多体核心系统(简称为系统)与大量无相互作用电子组成的费米库(也称作环境)存在交互的复合量子体系。基于这一理论发展出了多种具体方法,其中级联运动方程方法目前已被广泛应用于各类开放量子体系自旋特性的描述和分析,因此被用于本论文的研究。第2章的最后将展示级联运动方程方法对应的数值程序的总体框架、应用范围和使用方法,并补充说明一些提高程序计算效率的方案。第3章将介绍费米型级联运动方程方法应用于强关联开放量子体系的研究时面临的挑战和相关发展,并展示我在高效截断方案开发和测试方面的工作。严格的级联运动方程是一组无穷维微分方程,在实际运用中通常需要搭配合适的截断方案使其封闭,而低温、强关联条件的处理往往意味着级联运动方程需要截断在更高维度,因此开发高效的截断方案以减少计算资源的消耗对于强关联问题的研究十分必要。我将从横向、纵向两个维度介绍级联运动方程的截断,并通过量子杂质体系谱密度函数的求解测试不同截断方案的性能,同时厘清“强关联”条件对数值方法收敛性的具体影响。本章最后还证明了本论文所使用的绝热截断方案在处理强关联问题方面的可靠性和优越性。第4章将展示我在理论模型精确求解方面的工作。本章基于安德森模型详细地分析了磁性杂质体系中近藤效应的基本表现、影响因素和动力学特征。首先本章给出了磁性杂质体系稳态特征的表征和分析,其中重点阐述了近藤屏蔽强度与系统-环境耦合强度之间的关系。随后,本章分析了近藤动力学特征,提出了系统的响应和弛豫演化中不同时间尺度动力学过程的标度关系,最后在综合考虑耗散相互作用和量子多体关联相互作用两方面影响后给出了系统约化密度矩阵的演化标度率,从而为强关联开放量子体系非平衡自旋动力学的理论研究提供了一个新的视角和路径。第5章将展示我在实际体系模拟分析方面的工作。本章首先给出了与表面分子体系的电子自旋共振(STM-ESR)和电压泵浦(Voltage Pump-Probe)实验对应的理论模拟结果,在超高时间、能量分辨率下实现了对表面吸附分子自旋态和自旋相干动力学的精准表征。随后,本章分析了系统-环境耦合强度和外场对自旋二聚体相干性的影响,揭示了相干时间与分子-衬底/探针间耦合强度的依赖关系,以及探测脉冲对系统相干性的具体影响。本章的工作为表面分子体系在量子信息处理和量子计算中的应用研究提供了重要支撑。第6章为本论文的总结和展望。本论文从数值方法的发完善展,到模型体系的求解预测,再到复杂实际体系的表征分析,系统并逐步深入地展示了我的研究思路和结果,为强关联现象及其非平衡自旋动力学的深入理解和后续研究提供了重要参考。

关键词：强关联作用开放量子体系非平衡自旋动力学量子耗散理论近藤效应自旋相干动力学

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基于含时密度泛函理论的激发态方法发展

基于含时密度泛函理论的激发态方法发展

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作者：刘杰中国科学技术大学

学位级别：博士

在本论文中,我展示了我在攻读博士学位期间所做的一些工作。工作主要集中于基于含时密度泛函理论发展有效的理论方法去研究复杂分子或处于开放环境中的体系的激发态性质,例如力和力常数(激发态能量对核坐标的一阶和二阶导数),或者偶极... 详细信息

在本论文中,我展示了我在攻读博士学位期间所做的一些工作。工作主要集中于基于含时密度泛函理论发展有效的理论方法去研究复杂分子或处于开放环境中的体系的激发态性质,例如力和力常数(激发态能量对核坐标的一阶和二阶导数),或者偶极矩和静态极化率(激发态能量对电场的一阶和二阶导数)。通过发展有效的方法得到体系激发态的结构以及动力学性质,从理论上对有机分子,生物体系以及自然的或者人工的光合作用体系中的光化学和光物理过程给出合理的解释以及更深入的理解,这些对能源、环境科学以及光电器件的设计领域都非常重要。本论文的具体工作主要有以下几个方面：(1)基于TDDFT,发展了线性标度方法去解析计算激发态能量梯度,为利用TDDFT研究大分子的激发态结构和动力学提供了可能性。(2)发展了快速有效的计算方法去计算激发态能量对核和电场微扰的二阶导数,为研究复杂体系激发态的振动以及热力学性质,例如熵和自由能,以及红外和拉曼光谱的分析提供了有效的理论工具。(3)为考虑溶剂化效果,我们结合了TDDFT与连续介质模型(PCM),发展了基于PCM-TDDFT的理论计算方法去计算激发态能量对核和电场微扰的一、二阶导数,它为研究复杂体系在溶液环境下电子激发,结构弛豫以及激发态振动等性质提供了有效的理论工具。所有的方法都是基于Q-CHEM量子化学软件包发展的。其中,主要的研究成果如下： 1.从密度矩阵形式的运动方程出发,在非正交的Gaussian原子轨道基函数下发展了基于含时密度泛函理论的解析的激发态能量一阶导数的方法。类似于分子轨道基函数下解析一阶导数的方法,在原子轨道基函数下基于约化单电子密度矩阵重新得到了Z矢量方程。从而为人们应用密度矩阵的量子局域性以及避免在分子轨道和原子轨道基函数下矩阵转换,实现线性标度激发态算法提供了一种可能。 2.在含时密度泛函理论框架下,发展了解析激发态能量对核坐标二阶导数的方法。应用这种方法研究了一系列分子的激发态振动频率,与有限差分、单电子激发态的组态相互作用等理论方法得到的结果以及实验值做了比较,测试了方法的精度。同时通过对基态及激发态振动频率计算所需CPU计算时间的比较展示了激发态能量解析求导方法的计算效率。更进一步地我们比较了基于Tamm-Dancoff近似的TDDFT方法与full TDDFT在激发态频率计算上的差别,并确定了激发态频率计算标度因子。 3.结合溶剂的连续介质模型,在含时密度泛函理论的框架下,发展了快速有效的计算处于溶液中分子的激发态方法。通过对激发能,几何机构优化以及振动频率的计算证明了方法数值实现的正确性。接下来,这种方法用来分别研究了4-hydroxybenzylidene-2,3-dimethyl-imidazolinone (HBDI)(?)(?)9-Fluorenone分子的共振拉曼光谱和红外光谱。对上面发展的这些方法的大量测试以及实际应用显示了方法的正确性和有效性。可以期望这些方法将给激发态性质和动力学过程的研究提供一种非常有效的计算手段。

关键词：含时密度泛函理论解析导数线性标度激发态性质连续介质模型

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量子导引与量子密码研究

量子导引与量子密码研究

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作者：曹文飞中国科学技术大学

学位级别：博士

量子纠缠和贝尔非定域性是量子物理不同于经典物理的独特现象,也是量子信息理论研究的核心。量子导引,作为量子纠缠和贝尔非定域性的一个重要补充,架起了这两个概念之间的桥梁。对量子导引的判据及其与其他物理概念之间的联系成为了近... 详细信息

量子纠缠和贝尔非定域性是量子物理不同于经典物理的独特现象,也是量子信息理论研究的核心。量子导引,作为量子纠缠和贝尔非定域性的一个重要补充,架起了这两个概念之间的桥梁。对量子导引的判据及其与其他物理概念之间的联系成为了近年来的研究热点。作为量子信息理论的应用,量子密钥分发（QKD）基于量子力学的基本原理保证了密钥分发过程的无条件安全性。然而因为现实设备的不完美,实际的QKD系统面临着不同类型的攻击。近年来提出的测量设备无关量子密钥分发协议（MDI-QKD）因其具有免疫探测器端攻击的优点吸引了理论上和实验上的巨大关注。本论文主要基于作者在读博期间对量子导引方面和量子密码方面的学习和研究成果,阐述了我们提出的一些量子导引判据和量子密钥分发协议。在量子导引判据方面,提出了推广的量子导引线性判据并给出了寻找最大违背的最优化方法。同时提出了基于局域不确定关系的量子导引判据,探讨了不确定关系对不同量子关联的限制。相比原有的线性判据,推广的量子导引线性判据有着更大的适用范围,相应的最优化方法减少了现有判据的计算复杂度,有助于量子导引的实验检验。相比之前的很多量子导引判据,基于局域不确定性关系的判据在很多情况下有更大的探测范围。此外,我们也引入了理论计算上比较方便的量子导引重排判据,并探讨了其与纠缠的重排判据的联系。在量子密钥分发方面,提出了单边测量设备无关的量子密钥分发（1SMDI-QKD）协议和开放终端的MDI-QKD网络方案。1SMDI-QKD协议不仅具有免疫所有探测端攻击的优点,同时也降低了 MDI-QKD协议对于源端的要求。对于实际应用,我们提供了以相干光作为光源的实验方案,提供了解析的诱骗态分析方法,并根据常用的实验参数对实验进行了理论模拟。根据开放终端的MDI-QKD网络方案,网络中的任何两个或多个用户可以在其他用户的辅助下建立安全通信。此外该方案不依赖于可信中继并且具有免疫测量设备攻击的优点。与传统的QKD网络相比,该工作有望极大地提高未来QKD网络的安全性与拓展性。

关键词：量子信息理论量子关联量子导引不确定性关系量子密码量子密钥分发安全性漏洞测量设备无关量子网络

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新型光子器件在集成量子光学芯片中的应用

新型光子器件在集成量子光学芯片中的应用

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作者：任尚宇中国科学技术大学

学位级别：博士

信息技术包含计算和通信这两个重要的内容。首先,计算的复杂度由硬件结构的复杂度决定。然而随着通行数十年的摩尔定律正逐渐放缓,继续增加集成电路的复杂度变得愈发困难,其原因有两点:一方面,极高的硬件密度会带来散热的困难;另一方面... 详细信息

信息技术包含计算和通信这两个重要的内容。首先,计算的复杂度由硬件结构的复杂度决定。然而随着通行数十年的摩尔定律正逐渐放缓,继续增加集成电路的复杂度变得愈发困难,其原因有两点:一方面,极高的硬件密度会带来散热的困难;另一方面,微小尺度上存在着的量子效应更是在物理原理上限制了半导体器件和集成电路的无限细化。解决这一瓶颈需要新的技术路线。其次,经典的通信手段存在被截获,经典的编码技术存在被破译的风险。通信安全需要原理上不可攻破的手段加以维护。量子信息技术为以上这些问题提出了新的解决方案。在多个齐头并进的量子体系中,光子以其易于制备、不易受到干扰等优势脱颖而出。一方面,能够解决特定问题的光学量子计算原型机已经出现;另一方面,基于单光子和纠缠光子的长程量子密钥分发技术都已经投入实际应用。藉由前人奠定的理论技术基础,光学量子信息处理相关的新成果正不断涌现。与早期电路系统类似,光学量子信息处理系统也有集成化的需求。现行的光学量子计算方案主要依赖空间光学平台,使用了大量的耦合、分光、调相以及偏振控制器件,还要配合激光器、光电探测器以及光子探测器使用。整个系统的规模较大。随着结构和功能的进一步复杂化,系统的稳定性和可拓展性将会受到挑战。利用集成光子技术这一有力工具对光学量子信息处理系统进行小型化、集成化处理是其走出实验室,进入大批量实用化阶段的必由之路。但目前光学量子信息处理系统中的隔离器、滤波器等关键器件仍依赖光纤或空间光学元件,未能集成于集成量子光学芯片之上。此外,实验上缺少通过多个光学芯片实现纠缠分发的案例。针对这些问题,本文围绕常见的硅基集成光学平台,研究了几种新型无源光子器件在光学量子信息处理中的应用。主要研究内容包括: 1.集成磁光隔离器的单光子非互易性研究研究基于一种掺铈的钇铁石榴石(Ce:YIG)以及氮化硅(SiN)波导的新型光子隔离器的量子光学性质。利用钇铁石榴石在磁场下表现出的磁光克尔效应,可以在不等臂Mach-Zehnder干涉仪上形成非互易相移,进而使从不同方向通过的光子表现出迥异的传输特性。在实验上测得这种隔离器对单光子的隔离度可达12.33 dB。另外,通过Hong-Ou-Mandel干涉实验验证了隔离器能够保留光子的全同性,其干涉可见度达到95.61±0.94%。实验结果证明了该隔离器在集成量子光学芯片中的应用前景。 2.集成滤波器与非线性光源的片上量子体系量子光源的工作离不开包括前置滤波器、后置滤波器和波分复用器在内的滤波器件。根据目前已有的报道,这些器件往往部分或者全部独立于集成量子光学芯片。为了进一步地增加芯片的集成度,本文提出了一种包含非线性光源、纠缠操作以及所有滤波器件的集成量子光学芯片。借助SOI集成光学平台,以可调谐的微环腔作为前置滤波器;以高Q值环腔作为光源发生自发四波混频产生关联光子;以高隔离度bragg光栅结构作为后置滤波器;以级联可调谐环腔组作为波分解复用器。以上器件搭配额外的片上分束器、相移器和干涉仪即可形成一个完整的,无需额外滤波的集成量子纠缠光源。 3.基于多个集成量子光学芯片的纠缠分发利用载有硅螺旋线的绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)芯片作为发送芯片,产生宽带的关联光子对;利用高折射率玻璃(high-index doped silica,HIDS)材料的集成光学芯片作为接收芯片,其中包含一个1×32信道的波导阵列光栅和32个臂长差为400 ps的不等臂Mach-Zehnder干涉仪。该工作实现了基于Franson架构的单发单收纠缠分发实验,测得7对信道的原始干涉可见度均高于90%。此外,本文还实现了单发双收纠缠分发实验,测得3对信道的原始干涉可见度均高于 85%。本文的创新点如下: 1.实验上对一种新型的集成磁光隔离器进行了单光子水平的性能验证,首次将其引入集成量子光学芯片体系。 2.提出了包含非线性光源、纠缠操作以及所有滤波器件的片上路径纠缠实验方案。已通过电子束曝光以及紫外光刻工艺初步验证了各器件的性能,有望进一步拓展集成量子光学芯片的规模。 3.实验上实现了多波长通道、多芯片互联的energy-time纠缠分发。该工作为基于双光子纠缠的量子密钥分发和量子网络的集成化提供了新的思路。

关键词：量子信息量子干涉光学波导集成光学非线性光学磁光效应

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