基于相关光子定标光电探测器量子效率的基本模型

相关光子是由强激光泵浦非线性晶体的自发参量下转换效应产生的。从两方面阐述了对探测器量子效率的定标,包括对光子计数型探测器和模拟探测器。针对每一方面详细地介绍了目前主流的定标方案,并给出了其详细的理论表达式及实验方案。根据理论分析其优点及缺点,并与传统的定标方法进行比较。重点对模拟探测器量子效率的定标在不同方案下的应用范围及表达式进行总结,总结了对探测器定标的最新进展,分析了这些方法的基本思想。提出下一步研究方向及可实现的方法,展望该领域的发展前景。     

基于PPLN晶体的高通量相关光子制备实验研究

利用基于参量下转换产生的相关光子可以实现“无溯源”的绝对定标。该定标方法推广应用于模拟探测器定标的过程中,其中获取高通量的相关光子是一个重要的难点。介绍了一种基于自发参量下转换制备高通量相关光子的方法原理和实验装置。采用532 nm连续激光泵浦周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体,在满足准相位匹配（QPM）方式下产生高通量的纠缠光源,改变泵浦光源的功率,实验结果显示具有较好的线性。叙述了准相位匹配技术原理,搭建了制备高通量相关光子的实验装置,并优化了泵浦激光光源和各光学元器件的设计参数。该研究结果为后期进行高精度定标和模拟探测奠定了基础。     

基于参量下转换的3.39 μm中红外辐射源定标实验

介绍了一种新型的基于参量下转换实现红外辐射源绝对辐亮度的定标方法。参量下转换过程产生0.631m和3.39m波段的一对相关光子,通过测量自发参量下转换和受激参量下转换两个过程中在0.631m波段光子的计数比值,可以获取3.39m的单位模式平均光子数,并进一步导出红外光源的辐亮度。介绍了定标原理、实验装置,分析了主要的测量不确定性因素,定标结果表明OPO激光器光谱辐亮度的合成标准不确定优于1.18%。初步证实了通过探测可见波段光子计数实现红外辐射源的辐亮度定标的原理可行性。研究结果将有望应用于基于受激参量下转换的红外波段高精度定标以及红外OPO激光器等领域。     

基于参量放大的中红外辐亮度定标技术研究

介绍了基于参量放大方法定标中红外辐射源辐亮度的原理和实验装置,推导了不同偏振态的辐射源的辐亮度和单位模式光子数关系式。实验采用大功率连续532 nm激光泵浦非线性LiNbO3晶体,产生632.8 nm和3.34 μm波长的下转换光子,利用这对可见-红外下转换相关光子对在时间、空间上的高度相关性,在红外下转换光子方向注入待测中温黑体辐射源,通过测量632.8 nm下的转换光子信号的光子计数,实现黑体辐射源在3.34 μm波段光谱辐亮度的绝对定标,报道了1.53%的定标不确定度。     

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。     

超导系统下利用量子非破坏性测量制备量子态

基于超导量子电路系统,我们提出了通过量子非 破坏性测量的方法来实现光子的量子态制备。由约 瑟夫森结构成的两能级超导量子比特,在与腔耦合的情况下,其能级会产生斯塔克位移,位 移的大小与腔 内光子数成正比。利用超导量子比特能级位移受到腔内光子影响这一性质,在波导与超导量 子比特耦合的 情况下,通过波导中光子透过率的测量,从而判断出腔内的光子数。这种测量方式对腔内的 光子不产生影 响,因而是量子非破坏性测量,进而实现腔内光子的量子态制备。此外,我们还讨论了相关 参数对制备效 果的影响,在此基础之上,提出了通过反馈重复测量的方法来提高制备效率,从而实现目标 量子态的快速制备。     

光子轨道角动量在量子通信中应用的研究进展

轨道角动量是光子的量子态,具有轨道角动量的光束在光通信等领域中得到了广泛的应用,是目前国内外研究的热点方向之一,特别是轨道角动量可作为自由空间量子信息物理载体的重要选择,这将对量子通信领域带来重要的影响。介绍了光子轨道角动量的定义、产生,简要列举当前的相位、偏振编码经典的两类量子密码通信方案以作对照,以提出的光子轨道角动量密码通信方案为例,着重介绍了光子轨道角动量在量子通信中的应用研究及展望。     

光子轨道角动量量子态传输研究进展

携带轨道角动量(OAM)的光束理论上拥有无限个相互正交的本征态,因此可以作为独立信息传输光束促进大容量经典光通信的发展。在量子信息领域,近年来高维量子系统因为有更大的信道容量和更强的抗噪声能力引起了研究人员的极大兴趣,而光子OAM出色的维度拓展能力使其成为实现高维量子系统的重要手段。综述了光子OAM传输的研究进展,重点介绍和分析了自由空间、光纤以及水下等多种传输方式下OAM量子叠加态和纠缠态分发工作,并对实际应用中面临的问题和潜在的解决方案进行了阐述,可为相关领域研究者提供参考。     

量子信息论研究取得新突破

日前出版的英国《自然》杂志发表留奥青年学者潘建伟博士与其合作者的研究论文《基于三光子纠缠态的量子非定域性实验检验》。实验中,作者通过适当的实验安排,把由参量下转换过程产生的两个极化纠缠光子对转化为一个独立光子与一个三光子最大纠缠态,然后利用该三光子纠缠态在国际上首次成功地完成了对ＧＨＺ定理的实验检验,进一步证实了量子力学的非定域性。这是量子力学基础问题检验以及量子信息论的实验领域取得的重要进展。量子非定域性与定域实在论之间的争论可以追溯到爱因斯坦与薛定锷等人在１９３５年开创的工作。他们发现量子力…     

基于质心法的高分辨率高探测效率N光子纠缠N00N态超分辨量子成像

基于N光子纠缠量子成像的分辨率优势,设计了一种通用的多光子纠缠N00N态的超分辨量子成像系统,理论上成像分辨率可实现■倍的增加,成像系统的分辨率得到大幅提升。针对N00N态探测效率过低的问题,利用光学质心测量方法,保留所有探测情况,在不需要所有光子到达空间同一点的情况下,通过光子计数和适当的后处理,实现了任意数量光子下成像分辨率的提高。相较于N光子吸收方案,该方法的理论效率增加了D^N-1(假设有D个像素)。所提方案可以产生具有高保真度和高稳定性(数天内保持稳定)的N00N态,有利于拓展N00N态的应用范围。所设计的系统在超分辨量子成像领域中具有较好的应用价值。     

皮秒亮基孤子态Jaynes-Cummings模型量子场熵演化特性

基于皮秒亮孤子态光场中光子的定域产生和湮没算符与自由光场中光子的产生和湮没算符一样,从而仿照标准Jaynes-Cummings(简称JC)模型,利用Von Neumann量子约化熵理论研究了皮秒亮基孤子态光场与单个理想二能级原子单光子共振相互作用系统中量子场熵的时间演化特性,通过数值计算详细讨论了初始光强及场与原子之间耦合强度对量子场熵演化特性的影响。结果表明:初始光强不仅影响量子场熵演化的最值和振荡幅度,而且影响场熵演化的平均值,而场与原子之间的耦合强度影响量子场熵演化的周期和其无规则振荡的剧烈程度。     

偶极相互作用对量子纠缠信息传递与保持的影响

依据全量子理论原理,采用时间演化算符的方法,详细探讨了等同双能级原子与单模光场在偶极共振相互作用过程中系统的时间演化特性,分析了偶极相互作用对量子纠缠信息传递或保持的影响。计算和分析表明：量子信息的传递或保持过程与原子的初态有强烈的关联,即偶极-偶极作用对W型原子,当偶极相互作用强度满足一定条件时,才能使初始原子纠缠态或光子纠缠态完全保持,不同条件下,部分保持或部分交换传递,同时出现一些混合纠缠态;而对于GHZ型原子纠缠态的传递或保持没有影响。     

二维磁性光量子阱对共振隧穿光谱特性的影响

基于非磁性材料开腔光量子阱结构设计了非磁性闭腔光量子阱和磁性材料光量子阱结构。用时域有限差分法(FDTD)计算了这三种量子阱结构的透射谱和光场分布,研究了各量子阱中的量子化能态,论证了完全依靠自身结构在很大程度上增强透射光谱强度的可行性。研究发现,光子隧穿磁性光量子阱结构时透射率接近1,能量损失小;与非磁性闭腔光量子阱结构相比,能够减小器件体积,增加能带工程的自由调节度,获得更加丰富的光子束缚态,因而更具优越性。计算结果表明,开腔光量子阱为行波阱,这种阱俘获光子的能力较弱;闭腔光量子阱和磁性材料光量子阱均为驻波阱,局域光子的能力很强,且磁性材料光量子阱可以产生更大的光场梯度。     

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,它更容易获得并用于关联实验.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,可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,建立了赝热光场的半经典探测理论,推导了参考光路和信号光路光电流的关联计算公式,对鬼成像的分辨率和对比度以及关联成像系统的视场进行了分析.     

单光子源和单光子探测器研究进展

在众多的量子信息方案中,光学方法是独特的,因为它们允许长距离的通信且提供量子计算新的方法.在光量子信息处理过程中,单光子源和探测器是很重要的一个方面.本文回顾了测量和产生单光子的方法,且讨论了它们在量子信息处理中的应用.     

Tavis-Cummings模型中运动原子的量子关联动力学

通过数值计算的方法,研究了T-C模型中两运动原子与粒子场相互作用时两原子的量子关联。讨论了两原子的初始量子纠缠和腔场的光子数及原子的运动对两原子量子纠缠和量子失谐的影响。结果表明：初始量子纠缠不同,两原子的量子纠缠和量子失谐的演化不同;光子数的增加,两原子的量子纠缠出现猝死和恢复现象,而量子失谐保持非零,同时量子纠缠和量子失谐变化的更快;考虑原子的运动时,量子纠缠和量子失谐周期性演化,场模结构参数的增大,量子纠缠和量子失谐的演化周期变小。通过演化曲线发现,量子纠缠和量子失谐的演化具有相似性。     

相位退相干对多光子过程中两原子纠缠的影响

利用全量子理论及部分转置矩阵负本征值的方法,研究了存在相位退相干时多光子T-C模型中两个二能级原子与数态光场相互作用系统中两原子的纠缠演化特性。讨论了相位退相干系数、原子间偶极-偶极相互作用系数、跃迁光子数对原子间纠缠演化特性的影响。结果表明：相位退相干因子并不能完全破坏两原子间的相干性,而是衰减了原子间纠缠度的振荡幅度。随着偶极相互作用系数的增大和跃迁光子数的增多,两原子最终处于纠缠度值较稳定的纠缠态;两纠缠原子的相干性越好,两原子越容易达到纠缠度值较大且稳定的纠缠态。     

基于任意BELL态的量子密钥分配

为了提高量子密钥分配的安全性和效率,利用量子纠缠交换的规律,提出了基于纠缠交换的量子密钥分配协议。通信双方通过简单的BELL测量建立起共享密钥,窃听者不可能窃取密钥而不被发现。该协议与其它分配协议的不同在于,可以实现对任意两个BELL态进行BELL测量达到量子密钥分配的目的。协议的实现只需要EPR粒子对,而不需要制备多粒子纠缠态。分析结果表明,此协议只用到两粒子的纠缠态,不需要进行幺正操作,它不仅能够保证密钥分配的安全性,而且简单高效。     

二项式光场与二能级原子BEC相互作用系统中原子激光的量子性质

研究了二项式光场与二能级原子玻色--爱因斯坦凝聚（BEC）相互作用系统产生的原子激光的量子相关性质、压缩效应和振幅平方压缩效应。应用全量子理论,通过求解系统的海森堡方程,重点讨论了光场相关参数和原子相关参数对压缩深度、压缩频率的影响。结果表明,单模原子激光二阶相干度不随时间变化,原子激光具有周期性的压缩效应和振幅平方压缩效应,最大压缩深度由二项式光场相关参数决定,压缩频率依赖于原子与光场耦合系数,简要讨论了压缩效应和振幅平方压缩效应之间的区别和联系。