可光纤集成的相干态量子身份认证系统

报道了可光纤集成相干态量子身份认证实验系统。该系统采用偏振相干态的斯托克斯矢量作为量子信号载体,采用动态偏振控制器作为信号调制器,利用固有的相干态量子噪声保证系统的安全性。自行设计了脉冲激光驱动电路、微弱窄脉冲激光探测电路、信号同步模块,采用Socket网络通信程序在TCP/IP局域网中实现了量子保密通信所需要的经典通信。该相干态量子身份认证系统采用的运行密钥为12位,每个光脉冲包含40000个光子,传输速率达到8kbit/s,合法用户间误码率(BER)小于10-4。每传输一个比特信息,攻击者所能窃取的信息量I(Alice,Eve)<10-14bit。     

基于奇相干叠加态的超分辨率量子激光雷达

研究了基于奇相干叠加态的超分辨量子激光雷达方案。根据量子光学理论,分别推导了基于传统的强度差探测,量子信息中的投影测量和奇偶光子数分辨探测方式的输出信号的表达式并进行了分析和讨论。通过以上的分析和讨论,重点研究了奇偶光子数分辨探测方法。同时借助数值计算展示了基于奇相干态联合奇偶光子数分辨探测的超分辨率激光雷达的两种超分辨率特征,即窄峰型和多重窄峰型的干涉条纹。最后,从模型本身出发解释了多重窄峰型超分辨的物理机理。     

基于集成量子压缩光源的量子增强多普勒激光雷达（特邀）

传统激光雷达探测灵敏度不断提高,但仍然受激光光源的量子噪声以及探测端引入的额外噪声等因素限制。为了进一步提高激光雷达的探测性能,提出利用量子压缩态光场作为激光雷达的本振信号提高激光雷达探测精度的新方案,分析了所提出方案提高激光雷达探测精度的关键因素。制备了集成化低噪声压缩态光场并进行了激光雷达多普勒信息测量实验。实验结果表明,相较于传统相干多普勒激光雷达探测方案,所提方案实现了多普勒信息探测灵敏度3 dB的提升,为量子激光雷达中多普勒信息等微弱信号的探测提供研究途径。     

基于腔输入-输出过程的原子Bell态分析器和GHZ态分析器

如何能够不破坏纠缠态且能将其辨认区分出来是量子信息处理过程中一个很重要的问题。方案首先利用相干光与腔-原子系统的输入-输出过程构造受控相移门,然后利用受控相移门和零差探测技术构造宇称分析器,最后利用宇称分析器和Hadamaxd等操作构造非破坏性的原子Bell态分析器和原子GHZ态分析器。方案的优势在于,1)利用相干光源和零差探测技术,比以往方案中的单光子源和单光子探测易实现;2)构造的原子Bell态分析器和原子GHZ态分析器是非破坏性的、方案用到的所有方法和技术目前在实验上都是可以实现的、     

基于科斯塔斯锁相环的光学零差相干接收技术

零差相干光通信能够实现极高的通信速率和接近量子极限的灵敏度,是新一代空间通信领域极具潜力的通信体制。以窄线宽激光器作为本振源,结合90°光学混频技术和科斯塔斯光学锁相环技术,实现了信号光的零差相干接收。试验结果表明,信号光和本振光经过90°光学混频后I、Q两路信号相位差保持90°,科斯塔斯光学锁相环可以长时间实现信号光和本振光之间的相位锁定,接收速率为2Gbps的二进制相移键控(BPSK)信号,试验结果表明,该接收机能够很好地实现基带信号解调。     

基于腔输入-输出过程的原子Bell态分析器和GHZ态分析器

如何能够在不破坏纠缠态且能将其辨认区分出来是量子信息处理过程中一个很重要的问题,方案首先利用相干光与腔-原子系统的输入-输出过程构造受控相移门,然后利用受控相移门和零差探测技术构造宇称分析器,最后利用宇称分析器和Hadamard等操作构造非破坏性的原子Bell态分析器和原子GHZ态分析器。方案的优势在于:（1）利用到相干光源和零差探测技术,比以往方案中的单光子源和单光子探测较易实现;（2）构造的原子Bell态分析器和原子GHZ态分析器是非破坏性的。方案用到的所有方法和技术在目前的实验上都是可以实现的。     

量子增强星载光子计数激光雷达阈值检测性能

星载光子计数激光雷达在遥感探测、导航测距等领域发挥着重要作用。依据光子数可分辨激光雷达的工作原理,建立了基于光量子统计理论的星载光子数可分辨激光雷达接收端的量子阈值检测模型。方案利用先进的光子数可分辨探测器件滤除未能达到最小检测信噪比的光子,并根据光量子统计规律重构信噪比检测公式,接收端的最小可检测信噪比相对经典光强检测方案进一步降低。同时分析了新型量子阈值检测方案的检测概率与虚警概率,数值仿真的结果表明,基于光子数可分辨探测的量子阈值检测方案的信噪比在少光子到达的条件下优于经典光强检测方案,且利用量子压缩态发射源可进一步增强量子阈值的检测性能。最后,进行了星载光子数可分辨激光雷达测高的仿真实验,结果表明在少量返回光子信号情形下的量子阈值检测方案的性能获得了显著增益。     

赝热光场的统计特性及其关联成像理论

赝热光源是关联成像的常用光源,相较量子态的纠 缠双光子光源来说,更容易获得并用于进行关联实验。赝热光和纠缠双光子有一定的相似之 处,尤其是在光场的统计特性上,这一点和关联计算密切相关。当量子场为相干态或其经典 随机混合时,量子光场和经典光场在统计特性上完全相同,从而可以采用零均值高斯态对赝 热光场的非相敏传播过程进行完整描述。基于这一模型,可以建立赝热光场的半径典探测理 论,推导参考光路和信号光路光电流的关联计算公式,进而对鬼像的分辨率和对比度以及关 联成像系统的视场进行分析。     

红外波段的外差探测技术

无线电波和微波波段的外差探测早已为人们所熟知。但红外和光学波段,由于缺乏相干辐射源和适当的接收器件,所以长期以来,外差探测技术未能在这些波段得到发展和应用。60年代后期,CO_2激光器和碲镉汞长波、快速响应红外探测器的出现,使红外探测技术从非相干探测推进到相干探测,从而把红外接收系统的极限灵敏度由“背景光子噪声限”提高到接近最终理论极限——“信号光子噪声限”。     

掺铒光纤放大器作为光学预放的高灵敏度零差相干接收机

星间高码率光通信系统中由于无法进行光学中继放大,需要高码率、高通信灵敏度的光学接收机。分析了采用掺铒光纤放大器(EDFA)作为光学预放的高灵敏度零差相干接收机方案,并搭建了零差相干通信系统,测试了系统在通信速率为8～10 Gbit/s下的二进制相移键控(BPSK)通信性能。实验表明,此系统在无编码误码率要求为10~(-3)时,10 Gbit/s BPSK通信信号接收灵敏度约为-48 dBm,距离量子噪声极限仅7 dB,优于已发表的10 Gbit/s零差相干通信系统测试结果。     

实验观察压缩量为90%(10dB)的非经典孪生光场

非经典孪生光场是一类不同于压缩态和振幅压缩态的非经典光场,它包含两个分立的光束(孪生光场twin beams),这两个光束的光子数起伏之间具有强烈的量子相关性,换句话说,两个光束中光子的出现是成对出现的,因此,测量这两个光束之间的强度差(或者说光子数差)便可获得低于标准量子极限以下的量子噪声。从测量的角度来看,当采用两个光电探测器分别检测这两个光束时,产生的两个光电流信号的差(I_1-I_2)的量     

单光子量子雷达的恒虚警检测条件

量子雷达是将量子效应引入经典雷达探测领域,解决经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈,提升雷达综合性能的技术。文中简述了量子雷达的基本原理及光子计数体制雷达在这一领域所处的地位,基于普朗克公式和奈奎斯特公式分析了光子计数体制雷达的量子物理基础,基于纽曼·皮尔逊准则推导了光子计数体制中最优的信号检测准则,提出了光子计数体制量子雷达的恒虚警检测条件,基于真实环境进行了光子计数雷达的信号检测仿真,并对比了文中提出的方法相对于经典雷达信号检测方法在光子计数体制下的优势。     

二项式叠加态与激发相干叠加态的产生

考虑原子与腔场在大失谐悟上的相互作用，本文研究了如何利用态选择测量技术来产生二项式叠加态和激发相干叠加态，这两种量子加态在一定极限或参数选择下都可变成客观可区分量子叠加态。     

一种应用于深空探测的弱信号探测技术

深空探测对于人类开发利用太空资源、探索宇宙起源具有重要意义。作为深空探测的一个重要组成部分,遥感载荷起着无法替代的作用。由于深空探测作用距离远,导致遥感载荷的信噪比很低,因此如何有效地从弱信号中检测出有用信号是深空探测技术中必需解决的关键技术。根据未来深空探测对低于散粒噪声的超微弱信号探测的需求,基于量子压缩态光场的散粒噪声小于标准量子极限的特点,提出一种基于量子压缩态光场的弱信号探测技术,给出了原理探索实验验证的结果。由于压缩光的量子特性会随着作用距离的增加而衰减,为了更贴近应用,设计了在接收端进行压缩光注入的新型激光雷达载荷方案,并给出了仿真的结果。     

光子防火墙中42 Gbit/s BPSK信号4位全光模式匹配系统及实验验证

在光子防火墙中,为了实现能够有效处理高速光信号的全光模式匹配技术,针对BPSK信号提出了一种信号速率高达42 Gbit/s的全光模式匹配系统,并采用商用器件进行了实验验证。首先,通过给BPSK输入序列分别添加同相和反相的相干载波将BPSK信号转换为2个互为反向的强度调制（IM）信号;然后,通过延时线和由高非线性光纤（HNLF）实现的光学AND门进行相关操作;最后,输出表征全光模式匹配结果的高电平脉冲。仿真和实验结果表明,所提系统可以在8位的42 Gbit/s BPSK输入序列中识别出4位目标序列,验证了BPSK信号的全光模式匹配的可行性,适用于高速光子防火墙。     

光子增加相干叠加态的Wigner函数

利用算符作用在参考态上产生新的量子态的方法 ,将产生算符作用在相干叠加态 上,构造了光子增加相干叠加态。给出了其归一化系数和Wigner函数的解析表达式。通过 数值计算,讨论了相干态平均光子数和两相干态的相位差对Wigner函数的影响。研究结果 表明,随两相干态的相位差增大,Wigner函数的负值深度和负值区域时而增大时而减小, 它的负部 体积随相位差的演化呈现出准周期性演化,表明选择合适的相位差值对增强量子态的量子特 性有利;另一方面,随相干态平均光子数逐渐增大,Wigner函 数的负部体积增大,表明光子增加相干叠加态的量子特性增强。     

基于相位旋转的高阶多路MPSK信号的盲分离

本文针对高阶多路混合MPSK信号的盲分离问题,分析了MPSK接收信号的特性,给出了源信号个数估计定理,在对观测信号进行删余预处理后,利用改进的混合聚类算法估计出源信号数目,然后提出了一种相位旋转算法,消除接收信号中的公共因子,去除相位角不趋于零的元素,将高阶多路MPSK信号盲分离转化为BPSK信号盲分离,利用BPSK盲分离算法即可实现多路MPSK信号的盲分离.仿真结果验证了该算法的有效性.     

双谱估计用于软件无线电中的调制识别

为了能稳定地识别出接收信号的调制方式，采用分级识别的方案，对软件无线电中用到的六种调制信号（BPSK，QPSK，π／4DQPSK，MSK，GMSK，TFM）进行分类识别，第一级利用反映包络变化的参数对调制信号集进行粗分类，第二级利用从信号平方谱、瞬时相位平方的双谱中提取出的特征参数分类识别。仿真结果表明，该方案在不需要预知精确载波频率的情况下，可达到较高的识别率。     

可门控单光子探测器在天文观测中的应用

天文观测中常常遇到极微弱光信号的探测问题,望远镜接收到的光信号仅有很少的光子数甚至单光子,需要在噪声远远大于有用信息的不利情况下识别出有用的信号。受益于当代高科技的迅速发展,人们得以采用多种手段不断提高信号分离和探测能力。本文介绍了可门控型单光子探测器及其在云南天文台１．２ｍ望远镜激光测距系统中的应用。     

一种改进的BPSK/QPSK信号调制识别算法

提出了一种基于顺序统计量特征的二进制相移键控/正交相移键控(BPSK/QPSK)信号调制识别算法.对观测信号进行平方并做离散傅里叶变换运算,将变换结果取模后去除最大值得到修正频谱,并取修正频谱的最大值作为识别特征量,利用恒虚警准则确定判决门限,将识别特征量与门限比较来完成对BPSK和QPSK两种调制信号的识别.计算机仿真表明,当信噪比适度时,所提算法可对BPSK及QPSK两类信号进行有效识别.当信噪比大于1 dB时,算法的平均识别正确率达到90%以上.