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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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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

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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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连续变量系统中量子信息的处理与传输研究

连续变量系统中量子信息的处理与传输研究

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作者：杨传生中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息科学是一门信息科学与物理学的交叉学科。量子信息科学的研究不仅具有学术上的价值，在商业上也存在巨大的应用前景，其中最为重要的应用为量子计算和量子网络。量子计算和量子通信从本质上与它们的经典对应完全不同，这是由量... 详细信息

量子信息科学是一门信息科学与物理学的交叉学科。量子信息科学的研究不仅具有学术上的价值，在商业上也存在巨大的应用前景，其中最为重要的应用为量子计算和量子网络。量子计算和量子通信从本质上与它们的经典对应完全不同，这是由量子物理异于经典物理的特性所决定的，如相干叠加性、不可克隆性等。虽然不会完全取代经典计算机，但是在解决某些特定的问题方面，如解决大数分解问题，求解线性方程组等，量子计算机表现出远超经典计算机的计算能力。相比于经典通信，量子通信从物理原理上被证明是安全的。因此虽然量子通信网络不会取代经典的互联网，但其在军事、金融等等对保密通信极为重视的领域具有巨大应用价值。　　在学术兴趣和商业价值的双重驱动下，物理学家们在最近几十年开发出形形色色的（人工的或自然的）量子系统进行量子信息科学的研究。目前比较成熟的物理系统有超导量子线路系统、离子阱系统、量子点系统及NV色心系统等等。在这些实际物理系统中实现可扩展容错量子计算机的最困难的障碍就是开放量子系统不可避免的噪声，它会使得量子相干性消失从而破坏计算过程。对此，人们提出许多量子纠错方案以解决这个问题，但是大部分方案都需要大量的量子资源。其中，基于猫态量子比特的连续变量系统量子计算十分有吸引力。通过冗余编码，猫态量子比特可以实现对光子数丢失的错误进行纠正。而且，它也是目前唯一通过量子纠错方式延长了物理比特寿命的编码方式。另一方面，噪声同样会使量子网络中的存储和传输过程产生不可避免的退相干。因此，人们提出利用量子中继器解决传输过程中的损耗问题，从而建立远距离的量子纠缠。对于量子节点的损耗问题，可以借鉴量子计算机方面的研究成果，比如利用猫态量子比特进行编码。但是目前主流的量子比特的特征频率均在微波段，而为了降低量子信道中的耗散，巡游光子一般都在通信波段。这就需要实现两中不同信息载体之间的转换接口，以结合两种体系的优点。　　综上，由于连续变量系统，如超导微波腔，具有相干时间长，更为重要的是能够通过冗余编码而极大地简化量子纠错等重要优势，将集中讨论其在量子计算和量子通信中的应用。本论文具体的研究工作如下:　　1.连续变量系统中基于猫态量子比特的控制相位门方案。　　如前文所述，连续变量系统中的猫态量子比特编码方式可以大大简化检错纠错过程。目前，虽然已有实验在猫态量子比特上实现了高保真度的任意单比特量子门，但是两比特控制门还未被实现过。在这个研究中，以超导量子线路系统为基础，提出了基于广义猫态量子比特的两比特控制相位门的实现方案。首先展示了如何在超导量子系统中设计传输子辅助系统与两个微波谐振腔之间的色散相互作用。随后在此色散相互作用的基础上给出了两比特控制相位门具体的实现方案。在给出微波腔非线性问题的解决方案后，利用数值仿真计算了在考虑实际物理参数后的门操作保真度。发现，当用于编码量子比特的相干态数目d增加的时候，门操作保真度将会提高。当d=8时，控制相位门的平均保真度可以达到0.9955.　　2.微波存储光子与巡游光学光子间的可控量子接口方案。　　微波光子的寿命不断提高，目前已经达到ms的量级，而且在实验上还可以通过量子纠错进一步增加物理比特的寿命。因此可以让微波光子承担量子节点中存储器的角色，这也使得在相应系统中的量子接口有重要的意义。在这个研究项目中，以一种被首先应用于频率转换的系统为基础提出了微波光子与巡游光学光子间可控的量子接口方案。在该系统中，掺杂了稀土离子的YSO晶体可以媒介光学腔与微波存储器之间的有效相互作用。重要的是，该相互作用可以通过外加驱动光进行调节。在有效模型的基础上，给出了对应于写入过程的保真度。并且针对不同的物理要求，可以通过优化输入波包或这调节驱动光以提高写入过程的保真度。发现，在实际的物理参数范围内，对于高斯输入波包，写入过程的保真度经过数值优化后可以达到0.974η，其中η为系统中光学腔的耦合效率。

关键词：连续变量系统量子信息处理信息传输控制相位门可控量子接口

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开放量子系统量子态相干保持的控制策略研究

开放量子系统量子态相干保持的控制策略研究

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作者：李明中国科学技术大学

学位级别：博士

量子理论和经典信息论、计算技术的结合诞生了量子信息论。量子信息论有望完成许多经典信息所不能完成的信息处理功能,孕育着信息工程带来划时代变革的动力,因而引起了科学界的广泛关注。近年来,一些量子计算与量子通信方案也已在实验... 详细信息

量子理论和经典信息论、计算技术的结合诞生了量子信息论。量子信息论有望完成许多经典信息所不能完成的信息处理功能,孕育着信息工程带来划时代变革的动力,因而引起了科学界的广泛关注。近年来,一些量子计算与量子通信方案也已在实验室实现,一些迈向实用化的量子逻辑器件的雏形开始呈现在人们面前。但在看到这些辉煌成果的同时,我们必须关注新的挑战:作为量子信息论基础的量子相干性和量子纠缠均会因为与环境的纠缠而遭到破坏,量子的消相干效应成为实现量子计算的主要障碍之一,因而克服消相干效应对系统状态的影响,实现开放量子系统的相干保持,使之成为高效可控的量子物理过程并容错的进行量子操作是实现量子计算的关键。针对上述问题,在分析了量子控制和量子消相干抑制两者之间关系的基础上,研究了基于主方程模型描述的开放量子系统中存在的消相干因素的形成机理和表达方式,并设计了相应的控制方案实现其相干保持,主要工作和贡献如下: （1）研究了主方程模型描述的开放量子系统的动力学特性。根据开放量子系统的消相干原理,首先分析了系统和环境之间可能存在的多种相互作用的形式,而后刻画了主方程模型描述的开放量子系统的随机动力学特征,得到了表征系统消相干因素的Lindblad算符和描述系统量子态演化规律的量子随机微分方程。然后根据微分方程的形式,利用系统仿真的方法,实现了表征系统演化特性的约化密度算符的数值模拟。并给出一个实例,通过与经典Runge-Kutta迭代算法的比较验证了其实用性和优越性,最后分析了仿真算法的收敛性。该部分内容旨在给后面的控制方案提供理论依据和方案指导,使得后续的控制方案可以针对各种不同的消相干形式有针对性的实现系统的相干保持;（2）针对一般消相干形式描述下的主方程模型研究了其相干保持问题。首先通过分析描述系统密度矩阵演化的主方程模型,并将其转化为实向量空间上的状态空间模型描述,从而获得表征系统相干性的相干向量。控制的目标即使得系统在演化过程中,相干向量的模长变化为最小。在该思想指导下,借助经典最优控制的思想,提出一种既保证系统控制能量最小,同时又最大程度的减邢喔傻淖钣趴刂撇呗浴? （3）由主方程模型的一般描述,进而扩展到含有特定物理意义的消相干形式的描述,研究具有典型消相干因素影响的开放量子系统中的相干保持问题。该部分主要针对开放量子系统中存在的两种耗散形式:（Ⅰ）腔-QED中存在的原子的自发辐射以及（Ⅱ）在三能级原子体系中存在的由于原子的自发辐射而引起的自发辐射相干。针对上述两个问题,分别提出了实现其相干保持的控制方案: a.考虑腔-QED中消相干最重要的成因之一—原子自发辐射,为了避免其对Rabi振荡的影响,在利用光学Bloch方程建立了Rabi振荡的传递函数模型之后,借助经典控制中的根轨迹方法,提出了一种使得Rabi振荡保持相对稳定的补偿策略,消除了消相干的影响。然后给出了结合量子层析技术的一个物理实现。 b.在分析了以单色激光场为控制场的八型三能级原子系统的主方程模型的基础上,得到了系统由激发态到基态的自发辐射通道之间会形成交叉耦合使寄存在三能级原子上的信息不断衰减的量化模型,而后借助无消相干子空间的构造方法,设计了通过改变耦合激光场Rabi频率的方式实现系统中量子态相干保持进而达到纠错作用的控制策略。

关键词：量子调控开放量子系统消相干效应相干保持主方程模型最优控制相干控制无消相干子空间

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碳化硅色心的制备与量子调控

碳化硅色心的制备与量子调控

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作者：李强中国科学技术大学

学位级别：博士

碳化硅是一种广泛应用于微电子、航天航空、大功率器件等行业的宽禁带半导体材料。碳化硅具有成熟的单晶生长、微纳加工和掺杂等技术。近几年,碳化硅色心因具有近红外荧光辐射、长自旋相干时间以及易于集成等优点吸引了越来越多的关注,... 详细信息

碳化硅是一种广泛应用于微电子、航天航空、大功率器件等行业的宽禁带半导体材料。碳化硅具有成熟的单晶生长、微纳加工和掺杂等技术。近几年,碳化硅色心因具有近红外荧光辐射、长自旋相干时间以及易于集成等优点吸引了越来越多的关注,并得到快速发展。与金刚NV色心一样,碳化硅色心可以在量子计算、量子通信、量子精密测量等方面有重要的应用价值,并且基于碳化硅色心的量子器件在基于光纤传输的量子网络、活体生物结构探测、大规模集成、与现有半导体工艺兼容性等方面更具有优势。本人研究生期间主要进行碳化硅色心的制备、相干操控以及应用的实验研究。本文所取得的主要研究成果如下:1.室温高亮单光子源的制备,及其在量子信息方面的应用。我们实验上实现了基于4H-碳化硅中碳硅反空位(CSiVC)色心的可见光波长的室温单光子源、基于3C-碳化硅的近C-波段通信波长的高温稳定的单光子源和基于氮化镓的覆盖可见光和近红外波长的室温单光子源。并将上述室温单光子源应用于基础物理研究,我们实验上利用单光子源和线性光学器件构造开放系统,并实现了其哈密顿量满足反PT-对称的非幺正的洛伦兹变换,实现了超流系统中玻色子-波戈留波夫准粒子的动力学演化的实验模拟。2.碳化硅中单个硅空位色心的可控制备及其缺陷系综的相干操控。我们实验上通过电子束曝光、离子注入以及真空退火等技术,实现了单个硅空位色心的可控制备,硅空位色心的产率高达80%,是目前固态系统中己报道的最高记录。并研究了单色心在室温环境下的光学性质;进一步制备高浓度硅空位色心系综的碳化硅样品,并实现高灵敏度的磁场量子精密测量。3.碳化硅中硅空位色心纳米级精度的深度控制。我们实验上通过反应离子刻蚀实现了对碳化硅表面纳米级精度的选择性刻蚀,并证明该过程对近表面硅空位色心的影响很小;利用反应离子刻蚀和共聚焦显微成像实现了对不同能量和种类的离子注入所产生的硅空位色心深度分布的重构;研究了深度对浅层硅空位色心的自旋和光学性质的影响,为其在体外自旋探测和磁共振成像方面的实际应用打下基础。4.碳化硅中单个双空位色心的可控制备以及室温下的自旋相干操控。我们实验上可控制备了基于4H-碳化硅的单个双空位色心阵列,并首次实现了单个双空位色心的电子自旋在室温环境下的相干操控,其ODMR对比度以及单色心荧光强度均为目前室温下碳化硅中单个自旋缺陷的最高纪录,可以与金刚石NV色心相媲美,这也是继金刚石NV色心之后发现的第二个在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子亮度的固态色心;还实现了单色心电子自旋与近邻29Si核自旋的耦合,这将有助于制备光-电子自旋-核自旋的复合纠缠态,促进碳化硅色心体系在量子信息的应用方面的发展。

关键词：碳化硅色心自旋量子比特自旋相干操控量子传感量子模拟

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表面等离子体在信息处理中的应用

表面等离子体在信息处理中的应用

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作者：刘爱萍中国科学技术大学

学位级别：博士

光作为信息的载体，具有速度快，容量大的优势。但是由于存在衍射极限的限制，器件不能做得比波长更小，这就限制了集成器件的最大集成度。随着信息量的日益增长，对信息处理的集成度要求越来越高，必须寻找一种新的信息载体来进一步提... 详细信息

光作为信息的载体，具有速度快，容量大的优势。但是由于存在衍射极限的限制，器件不能做得比波长更小，这就限制了集成器件的最大集成度。随着信息量的日益增长，对信息处理的集成度要求越来越高，必须寻找一种新的信息载体来进一步提高器件的集成度。于是人们把目光转向了表面等离子体，因为它能够突破衍射极限在微纳结构中传输。将表面等离子体作为集成光学中的信息载体，可以有效提高器件的集成度。过去的十几年，人们对表面等离子体进行了大量的研究，不断探索如何将它应用到信息传输中，其中将表面等离子体应用到量子信息传输中是最具有吸引力的。新兴的量子信息处理技术不仅能够提高信息处理速度，而且还可以解决许多经典计算机所无法解决的问题。表面等离子体和量子信息技术的结合既提高了信息的集成度又提升了信息处理的速度。\n 在博士期间本人主要是通过近场的方式研究表面等离子体的性质，并将它应用到信息处理中。本文主要介绍本人在实验和理论上取得的一些研究成果:\n 1.表面等离子体在信息处理中的应用\n 将光子角动量信息编码到表面等离子体上。表面等离子体应用于信息处理中，必需能够将信息加载到表面等离子体中。在量子通信中，光子的自旋角动量和轨道角动量经常用于编码信息。我们通过实验证明了光子角动量信息能够加载到表面等离子体中，从而说明表面等离子体可以用于量子通信中作为信息传输的载体。通过表面等离子体，不仅可以将自旋角动量和轨道量分别用于编码信息，而且还可以将这两者组合成信息密钥对而提高信息传输的安全性，这在量子通信中具有重要意义。\n 用振幅干涉法测光子轨道角动量。由于等离子体透镜上激发的表面等离子体和直接透过的激发光之间发生相互干涉而导致横向场强分布的旋转，所以带有不同轨道角动量的光入射到等离子体透镜上，在其上方分布的电磁场强度图样不同，利用这一性质可以测量入射光的轨道角动量。文中通过实验和理论证明，用振幅干涉法测量光子轨道角动量，不仅可以测量轨道角动量的量子数大小，同时还可以得到它的符号，这体现了表面等离子体在信息处理中的优势。\n 自旋路径编码转换器。在自由空间光学中，一般用光子的自旋态来编码信息，而在集成光子学中，倾向于用路径编码信息。如果要在这两个光学系统之间进行信息传递，那么就需要对这两种方式编码的信息进行转换。本文根据激发表面等离子体时对偏振的依赖性设计了一种编码转换器，它可以将信息从自旋编码转换为路径编码。这个编码转换器可以工作在可见光波段，并且具有很宽的带宽。它的消光比可以达到120∶1，有利于降低信息传输过程中的误码率。自旋路径编码转换器提高了自由空间光学和集成光子学之间的兼容性，在量子信息发展中起到关键的作用。\n 2.表面等离子体的传播分析\n 表面等离子体相干性的研究。由于探针的针尖尺度（50～300nm）小于可见光波长，所以由它激发的表面等离子体，相当于从点源发出的，具有很高的相干性。实验中采用双探针近场扫描光学显微镜，将一个探针用于激发表面等离子体，另一个探针用于收集等离子体透镜上的表面等离子体干涉场分布。实验证明表面等离子体的相干性与激发探针的针尖直径负相关。\n 近场分析银纳米线上的表面波。银对表面等离子体的吸收损耗小，是一种优良的传输介质，被广泛作为波导用于传输表面等离子体。鉴于银纳米线的尺度小，采用近场探针激发能够有效提高表面等离子体的激发效率。但是在激发表面等离子体的同时，另一种表面波，即爬行波也被激发。虽然爬行波的传输损耗大，传输长度只有约1微米，远小于表面等离子体的传输长度，但是它的强度是表面等离子体的几十倍。而在集成光子学中，器件的尺度往往很小，这样就必须考虑爬行波的影响。本文通过两种不同的近场探测方法，即动态激发方法和静态激发方法，分别研究爬行波对两种不同表面等离子体模式的影响。实验和理论证明爬行波会对银纳米线上的表面波能量分布进行调制。银纳米线上的表面波研究为银纳米线在集成光学中的应用做了准备.\n 3.表面等离子体与单光子源的相互作用\n 表面等离子体和量子点相互作用的偏振性质。在量子通信中，为了提高信息传输的安全性往往采用单光子源。如果要将量子信息加载到表面等离子体中进行传输，就必须实现用单光子源激发出表面等离子体。本文介绍了CdSe量子点与银纳米线作用时对偏振的依赖性，CdSe量子点能级跃迁的能量可以与银纳米线上的表面等离子体直接相互转化，并且由于银纳米线本身就是一个开放的光学天线，会对CdSe量子点的荧光具有偏振调制作用。要想在表面等离子体上通过单光子源加载信息，那么就必须掌握单光子源与表面等离子体的相互作用的偏振特性，因为这不仅会影响转化效率还会对信息量本身产生影响。\n 制备可移动的单光子源。实现在确定位置激发表面等离子体对集成光学具有非常重要的意义。本文

关键词：表面等离子体近场扫描光学显微镜自旋角动量轨道角动量爬行波信息处理

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量子态识别的理论及应用

量子态识别的理论及应用

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作者：庞盛世中国科学技术大学

学位级别：博士

二十世纪初诞生的量子力学是物理学史上的一个重要里程碑。通过量子力学,人们对微观世界有了远比以前更加全面更加深入的认识,并由此创造了各种新颖的技术,如电子扫描隧道显微镜(STM),半导体技术等等。这些新技术新发明从根本上改变了... 详细信息

二十世纪初诞生的量子力学是物理学史上的一个重要里程碑。通过量子力学,人们对微观世界有了远比以前更加全面更加深入的认识,并由此创造了各种新颖的技术,如电子扫描隧道显微镜(STM),半导体技术等等。这些新技术新发明从根本上改变了人类对世界的认识,也极大地改变了人类的生活方式,促进了人类的文明与进步。随着量子力学的蓬勃发展,越来越多的其它学科开始与它融合,诞生出了许多新兴的交叉学科和研究热点,这其中的一个典型代表就是量子信息与量子计算。顾名思义,量子信息与量子计算是量子力学和信息与计算机学科交叉的产物。它诞生于上世纪80年代Feynman等人对经典计算机能否模拟量子系统动力学过程的研究,甚至还可以追溯到更早的60年代对相对论下通过量子系统传递信息能否超光速的争论。随着量子信息和量子计算研究的不断深入,人们惊奇地发现利用量子系统进行计算拥有比经典计算更快的速度,更高的效率,有些在经典计算中无法在多项式时间内解决的问题,利用量子计算则可以解决;而利用量子系统进行通信也具有一些经典通信无可比拟的优势,比如量子密钥分发具有无条件的绝对安全性,使用量子纠缠可以进行量子隐形传态和量子密集编码等等。这些量子计算和量子通信的独特优势,反过来大大增强了人们对这个领域的兴趣,进一步促进了这个领域的快速发展。在量子通信中,一般使用量子态作为信息的载体,即用量子态来编码要传递的信息。而当我们要从所传递的量子态中获取信息时,关键的一步是要使用量子测量对量子态进行识别。对量子态识别的成功率和正确率越高,从中能够获取的信息越完整;反之,则获取的信息量越少。由此可见,量子态识别对量子信息的传递至关重要,它的效率和可靠性直接决定了通信过程的质量,因此,研究如何优化量子态识别过程,比如怎样提高量子态识别的成功率和正确率,是非常有意义的。量子态识别是量子信息领域中的一个重要的基础性问题,在近几年的研究中方兴未艾。本论文正是致力于对这个问题进行深入的分析和系统的研究。本论文的主要内容和章节安排如下：第1章将主要回顾量子力学的诞生和量子信息、量子计算的发展历程,简介量子信息和量子计算领域中的主要研究内容。同时将介绍量子力学的几个基本原理,并将引入量子态识别的基本概念。第2章将首先阐述von Neumann测量(即量子正交投影测量)、广义量子测量和POVM;然后将详细介绍量子态识别的两种不同类型：最小错误量子态识别和无歧义量子态识别,并给出其中的一些基本结论;最后还将回顾量子态识别问题的研究状况以及实验上的相关进展。第3章将详细深入研究量子纯态的无歧义识别问题。首先我们将给出一组量子纯态能够进行无歧义识别所需满足的一般条件,随后将深入分析量子纯态无歧义识别最优解的性质,并得到最优解所满足的充分必要条件。为了使该充分必要条件便于计算,我们将此条件应用在最优解为临界可行区域内部非奇异点和边界点的两种情形,并分别给出这两种情形下最优解所满足的方程组。同时我们将从几何上阐明最优解的充分必要条件和两组方程的意义,并给出具体的数值例子。紧接着,我们将应用最优解为临界可行区域内部非奇异点时所满足的条件得到该情形下最优解的解析结构。我们还将研究使用推广的等概率测量进行量子态无歧义识别的问题,并得到解析的最优解。最后,我们将把前面所得到的结论应用到三个纯态情形,给出最优解所满足的方程,并应用到一些具体的例子中。第4章将主要考虑由量子态无歧义识别衍生出来的一个问题：量子态无歧义比较。我们将首先定义量子态比较问题的概念,并给出量子纯态无歧义比较的一个基本结论。接着我们将研究量子混态的无歧义比较。我们将证明普适量子混态比较的不可能性,同时仔细研究有限集合量子混态比较的可行性条件,给出各种不同情形下的充分必要条件。此外,我们还将研究一类特殊的量子态比较问题：能否通过量子测量无歧义地判定多个未知量子态的接近或正交程度是否高于或者低于某个阈值?我们将证明当阈值非平凡时,这类测量一般是不存在。我们最后还将研究能否通过量子测量判定多个未知量子态是否正交,并将证明能够完成这项任务的量子测量也是不存在的。第5章将研究间接量子态无歧义识别问题。所谓间接量子态识别就是不直接对待识别的态进行测量,而是通过相互作用将待识别的态与一个辅助系统耦合起来,并对辅助系统进行测量以识别原来的态。我们将详细研究单个辅助系统和多个辅助系统两种情形,并分别给出这两种情形下间接量子态最小错误识别问题的最优解。第6章将回顾和总结本论文的主要内容,并提出量子态识别中的几个开放性问题。

关键词：量子信息量子态量子测量无歧义识别最小错误识别量子态比较

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基于腔量子电动力学对量子点发光性质的研究

基于腔量子电动力学对量子点发光性质的研究

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作者：王碧莹中国科学技术大学

学位级别：博士

确定性的高品质单光子源是实现量子通信和量子计算的关键组件。理论上,衡量一个单光子源的品质主要有三个指标:单光子性,它用于衡量光源的光子数分布是否为单光子分布;全同性η,其用于定量保证光子之间可以进行有效的干涉;效率ε,它被... 详细信息

确定性的高品质单光子源是实现量子通信和量子计算的关键组件。理论上,衡量一个单光子源的品质主要有三个指标:单光子性,它用于衡量光源的光子数分布是否为单光子分布;全同性η,其用于定量保证光子之间可以进行有效的干涉;效率ε,它被定义为每个激发光脉冲后,能够收集到的光子数目。目前,量子点固态单光子源,由于其易于集成的优越性,成为了最具潜力的可拓展的光量子信息处理平台。但是,对于单独在块状材料中的量子点,受限于材料和空气界面的高折射率对比度,其收集效率会受到极大地抑制,被限制在～0.03。为克服这一问题,将量子点和光学腔结构耦合,利用Purcell效应来提高收集效率成为了研究的重点。这些光腔结构包括宽带的光学纳米线结构、环状靶眼结构以及窄带的微柱结构、滴漏结构等。而在理论方面,目前,可以用来计算微腔结构中量子点的光场分布的数值模拟方法主要有:有限时域差分法、有限元、格林函数积分以及傅里叶模式法。由于傅里叶模式法可以将腔模与其它背景模式区分开来,所以能够更容易地去研究不同光学结构背后的辐射物理机制。对于量子点发光的全同性而言,在量子点与光学腔模构成的系统周围,由于存在许多的环境干扰,比如声子激发和电荷噪声等,会造成光子的全同性降低。采用Master方程来研究环境对量子点发光全同性的影响是开放量子系统中经典的处理手段。在本论文中,我们分别采用了傅里叶模式法和Master方程来分析量子点体系的效率和全同性,致力于优化结构,从而提升量子点单光子源性能,为实验生长和工艺设计提供可能的帮助和理解。在本论文的开始,我们首先对量子点单光子源,数值计算收集效率以及全同性计算作背景介绍。具体地,在第1章中,我们先介绍了量子点的生长方法和发光性质等。然后,我们分别介绍量子点单光子源性能的三个指标—单光子性、效率以及全同性,包括它们的具体定义以及实验上的测量方法。在第2章中,我们详细介绍了利用傅里叶模式法进行光学建模从而能够计算量子点辐射电磁场在微腔中的分布以及收光效率的方法。接下来,在第3章中,我们介绍了利用Master方程微观建模来计算量子点的全同性的方法。其中,我们详细讲解了在声子影响下量子点与腔模系统的密度矩阵的求解方法。这些建模方法为我们接下来模拟实际问题提供了基础。在第4章中,考虑存在声子引起的non-Markovian的退相干的情况下,我们对微柱单光子源的效率和全同性做了数值的研究和模拟。特别地,我们用单模模型分析了限制/影响效率的物理机制。然后,通过计算效率和全同性的乘积εη对微柱设计参数的依赖关系,我们从而能够不分伯仲优化效率ε和全同性η。由于效率和全同性之间的原发性的互相制约的效应/影响,即使在理想的情况下,我们计算得到的εη依然被限制在～0.96。最后我们也考虑了实际的制造工艺缺陷以及Markovian的退相干效应对微柱最终性能的影响。在第5章中,我们进一步研究/模拟,通过抑制量子点自发辐射到背景辐射模式的耦合,从而提升微柱量子点发光性能。通过对无限长纳米线和微柱结构中背景光辐射的研究,我们揭示了微柱结构中背景光关于直径依赖的准周期式的增长行为。在背景光峰值处,效率会降低～20%左右。通过准确计算这些增长点的位置,我们的研究为工艺设计上避免这个损耗提供了一定的依据和帮助。最后,我们还分析了因为背景光辐射的不均匀而带来的实验上用寿命衡量Purcell因子的误差。

关键词：单光子源效率全同性量子点微腔微柱

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P2P文件共享系统中的副本技术研究

P2P文件共享系统中的副本技术研究

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作者：郭良敏中国科学技术大学

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随着计算机和互联网技术的迅速发展,传统的网络应用模式已经不能适应发展的新需求,客户端/服务器式的计算模式不得不发生转变,从而使得新的网络计算模式——P2P网络得以产生。P2P网络的开放性使其自产生起,就得到了众多用户和业内人士... 详细信息

随着计算机和互联网技术的迅速发展,传统的网络应用模式已经不能适应发展的新需求,客户端/服务器式的计算模式不得不发生转变,从而使得新的网络计算模式——P2P网络得以产生。P2P网络的开放性使其自产生起,就得到了众多用户和业内人士的广泛关注,其应用也涉及了众多领域。 P2P文件共享就是P2P技术的一个主要应用,是其技术发展的动力源泉,也已成为互联网上的主要应用之一,对互联网的使用和流量产生了巨大影响。P2P文件共享系统通过对文件的复制传播将文件共享的两大开销——存储和通信分布到网络中的各个节点上,从而为文件共享提供高效、低成本的通信方式。数据复制技术(即副本技术)是P2P文件共享系统中一种常用的和重要的数据管理机制,它通过为系统中的文件增加副本来提高系统中文件的可用性和可靠性,从而提高系统的整体性能。因此,P2P系统中的副本技术是一项极具研究价值的课题,是保证系统高可靠性、可用性的关键,其中的副本创建问题、文件的频繁更新所引发的副本一致性维护问题以及副本删除问题仍然是尚未有效解决的难点。本文在深入调研和总结已有相关研究成果的基础上,从副本创建、副本一致性维护、副本删除三个方面对副本技术展开研究,激励节点主动提供存储资源保存副本,降低副本一致性维护的开销,充分利用有限存储空间,提高网络的整体性能。本文的主要研究工作如下: 首先,阐述了P2P网络的产生过程、定义以及所具有的特点,介绍了P2P网络的分类,并给出了其主要的应用领域。随后分析和讨论了P2P网络的动态性和节点的不合作性的具体表现,简述了副本技术的重要性,综述了副本技术的相关研究和现状,分析了现有副本相关技术所存在的不足。其次,针对副本创建问题展开研究。根据信息经济学中委托——代理关系的相关知识以及激励概念,提出基于激励机制的副本创建策略。利用合作效用来衡量节点愿意提供存储空间的合作程度,合作效用高的节点可以得到更好的服务,以此鼓励节点提供资源与服务,提高副本创建的成功率,从而提高系统的整体性能。在上述基于激励机制的副本创建策略基础上,本文进一步引入推荐节点,提出基于多级代理的副本创建策略。当某节点不是出于自私行为而是自身客观条件造成无法存放副本时,该节点可以作为推荐节点向委托节点推荐合作效用高的邻居或者已知节点,这样不仅可进一步提高副本创建的成功率,还可提高副本创建的效率。再次,针对副本一致性维护问题展开研究。为降低副本一致性维护的时间和消息开销,提出基于物理位置和布鲁姆过滤器(bloom-filter)相结合的副本一致性维护机制。利用复杂网络社团划分方法,将物理上相近的节点划分在同一个簇中,更新工作主要在各个簇内进行,以降低一致性维护的时间开销;通过引入冗余二级邻居优化已有的更新传播算法,以降低更新消息的冗余传播。最后,针对副本删除问题展开研究。为充分利用存储资源,需将无使用价值的副本进行删除和清理,本文提出了基于灰色预测和代价的副本删除策略。借鉴现有的灰色预测模型,利用累加变换对副本的使用价值(副本活跃度)进行预测,以提高预测的准确度;分析和量化副本删除的代价,综合预测结果、删除代价以及其他相关因素得出副本存活价值,用其决定副本的取舍,以防止副本的大量删除和减少“颠簸”现象。模拟实验验证的结果表明,本文提出的副本创建策略可以提高副本创建的成功率和效率,提出的副本一致性维护机制可以降低副本一致性维护的时间和消息开销,提出的副本删除策略可以选择更加合适的副本进行删除,并可避免副本的大量被删除,从而减少“颠簸”现象。

关键词： P2P网络文件共享系统副本创建副本一致性副本删除激励机制物理位置布鲁姆过滤器灰色预测

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