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Vol.74 No.9
2025年05月05日
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量子导引, 作为一种特殊的量子关联, 相较于量子纠缠和贝尔非局域性, 展现出了特有的不对称性. 这种不对称性使得两个独立的光学模式之间, 通过量子导引交换可以建立单向或双向的导引, 这对构建非对称量子网络具有至关重要的意义. 本文提出了基于三组份与两组份纠缠态的全光学量子导引交换方案, 这一方案利用低噪声、高带宽的四波混频过程, 无测量地实现了传统方案中贝尔态测量的功能, 避免了光电和电光转换. 在导引交换操作后, 原本独立的无直接相互作用的两个纠缠态产生了量子导引. 具体研究了四波混频过程联合线性分束器或非线性分束器两种交换方案, 发现通过调节线性分束器的透射率和四波混频过程的增益, 可以实现三模间的量子导引. 这为单向量子通信和量子信息处理提供了新的可能性, 使得量子资源的利用更加安全和可控.
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本文深入地研究了一维高斯调制连续变量量子密钥分发系统在源强度误差下的现实安全性和性能表现. 详细地分析了源强度误差对协议参数估计过程的影响机制, 并基于发送端的三种现实假设, 提出相应数据优化方案, 以减轻源强度误差的负面影响. 同时, 综合考虑了源强度误差及有限码长效应, 以保障系统的现实安全性. 研究结果表明, 源强度误差不可忽视, 对于显著的强度波动, 系统的最大传输距离将减少约20 km. 因此, 在协议的实际实施过程中, 必须充分考虑源强度误差的影响, 并采取相应的措施来减少或消除这些误差. 本研究为现实条件下实施一维高斯调制连续变量量子密钥分发提供了理论依据, 为构建高效、低成本、小型化的量子通信网络探索了新方向.
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在光纤信道中, 连续变量量子密钥分发(continuous-variable quantum key distribution, CV-QKD)协议已经展现出获得更高安全码率的能力, 但是CV-QKD协议可容忍的信道衰减相对较低, 空间衍射、大气折射、信号衰减和湍流等实际因素都会影响空间信道中CV-QKD协议的可行性. 本文研究了实际空间信道环境下离散调制CV-QKD协议的可行性, 分析了空间衍射和大气衰减、湍流信道退化模型对于空间信道离散调制CV-QKD协议的影响, 讨论了卫星轨道高度、天顶角、接收器孔径、束腰尺寸和过量噪声等实际参数对空间离散调制CV-QKD的密钥生成率影响, 搭建了星地动态运动场景仿真分析了实际环境下空间信道离散调制CV-QKD协议的可行性, 仿真结果可为空间信道离散调制CV-QKD实验的设计和优化提供参考.
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本文对液氮温区约瑟夫森电压标准的物理原理、相关应用研究的发展历史、研究现状以及未来发展方向进行了综述. 液氮温区工作的约瑟夫森电压标准具有移动性强、能耗小等特点, 便于应用推广. 本文描述了目前约瑟夫森量子电压标准的研究现状, 重点探讨了基于高温超导体发展液氮温区量子电压标准可能性, 以及目前在芯片制备方面存在的各种挑战. 在此基础上, 介绍了超导约瑟夫森结阵列的一种新型制备技术, 即聚焦氦离子辐照技术, 其在高一致性约瑟夫森结阵列的制备上可能具有优势, 是未来探索实现液氮温区量子电压计量标准的一种可能技术路线.
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活性粒子体系是一类由自驱动布朗粒子组成的非平衡系统, 体系粒子之间通过相互作用可以表现出众多奇特的集体行为. 本文基于布朗动力学模拟, 研究了光场调控的活性粒子体系有序结构的形成和转变机制. 研究发现, 活性粒子在光场调控下发生了大尺度的相分离行为, 形成了特定的有序结构, 并实现了多种有序结构的动态转变. 本文系统地探讨了光场对这一动态相转变的影响和调控机制. 研究结果为活性体系群体结构的精确调控以及微纳米智能器件的制造提供了重要参考.
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通过数值方法研究了自延迟光、电反馈作用下分布式反馈半导体激光器(DFB-SL)的各种非线性动力学行为. 结果表明, 在不同光反馈强度下DFB-SL输出呈现出单周期、准周期、多周期等多种非线性动力学态. 当外部光反馈达到一定强度后, 激光器输出表现为混沌态; 当光反馈强度较小时, 在不同的电反馈强度下DFB-SL输出也会出现多种非线性动力学态; 当光反馈强度较大时, 改变电反馈强度无法得到单周期的动力学态. 光反馈与电反馈延迟时间也对DFB-SL非线性动力学态有重要影响. 当二者的延迟时间相匹配时激光器的弛豫振荡被增强, 表现为单周期状态, 而在延迟时间不匹配的情况下, 可能引发混沌或不稳定状态. 偏置电流也会对动力学态产生影响, 但随着电流大小单向变化, 动力学态的演化方向不是单一的; 当DFB-SL处于单周期态时, 改变偏置电流会改变单周期振荡频率. 这些发现为自延迟反馈DFB-SL在微波光子信号处理和保密光通信等应用方面提供了重要理论基础, 也为各种非线性科学研究提供了实验手段.
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提出了一种基于光纤内马赫-曾德尔干涉仪结构的低频声传感方案, 其中传感光纤是由多模-超高数值孔径-多模光纤焊接级联而成的微型马赫-曾德尔干涉仪, 可有效提高光纤弯曲灵敏度; 然后将该干涉仪结构与聚对苯二甲酸乙二酯换能膜片进行组合, 使得传感光纤在受到声压作用时与膜片同步产生曲率变化, 间接增大了光纤接收声场的面积. 文章推导了该系统的声传感理论, 并通过实验进行了验证, 得到传感系统在65 Hz处信噪比约为57 dB, 最小可探测声压为267.9 ${\text{μPa/H}}{{\text{z}}^{{\text{1/2}}}}$; 在50—500 Hz的频率范围内, 对声波有较好响应, 信噪比均在40 dB以上, 信号较平坦. 该方案可显著提升传感系统声响应能力, 实现对低频声波的有效检测, 且具有制作简单、成本低的特点, 在声波探测相关应用领域具有较大的发展潜力.
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原子自旋成像技术对气室内温度分布、旋光角检测以及镀膜抗弛豫特性测量至关重要, 其关键在于精确捕捉并解析原子自旋极化的复杂时空动态特性, 这些特性直接关系到磁强计带宽的扩展及磁梯度检测的灵敏度提升. 传统的气室内分割成像方法因静态特性限制, 无法实时捕捉原子自旋极化态的动态演变过程, 制约了量子测量仪器的性能提升. 针对这一挑战, 本研究提出了一种实时调控原子自旋极化态的碱金属原子气室动态自旋成像方法, 在空间分布上实时控制光束阵列中不同位置激光束的连续通断; 在时间序列上控制光束阵列中每束光的通断频率变化, 从而生成具有特定空间分布和频率特性的激光, 分别与气室内部不同位置的碱金属原子相互作用, 诱导原子自旋极化程度的变化. 通过对激光特性的精细调节, 当泵浦光的调制频率与原子在磁场中的拉莫尔频率相匹配时, 原子自旋极化达到最大值, 系统处于共振状态; 当调制频率与拉莫尔频率不匹配时, 原子自旋极化程度降低. 通过这种频率调制方法实现了对原子自旋极化状态地动态操控. 实验结果表明, 该方法达到95.9 μm的空间分辨率和355帧的时间分辨率, 显著优于传统静态自旋成像方法. 此方法增强了对原子自旋极化动态特性的认知, 能更精确地观测并分析磁场分布的动态特征, 从而为量子仪表性能的进一步优化提供坚实的实验依据与有力支持.
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离子回旋共振(ion cyclotron resonance, ICR)方法是一种通过选择性加热目标离子实现分离效应的先进同位素分离方法. 为确定各参数对ICR分离过程影响, 开展了ICR同位素分离理论研究, 基于单粒子模型方法对等离子体束流在稳恒磁场与交变电场组合场中的传输过程进行数值模拟, 对初始等离子体束流、共振加热区电磁场等影响分离效应的核心参数进行分析. 结果表明, 共振区交变电场强度、射频天线波长、共振区尺寸、等离子体初始轴向能量及其分布对等离子体束流整体加热效果均存在明显影响; 共振区磁感应强度、射频天线波长、等离子体初始轴向能量分布对加热过程的选择性存在直接影响. 所得结论对ICR分离装置参数的初步设计有一定借鉴价值.
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强场层析成像通过强场驱动的电子再散射实现取向分子的结构成像, 其优势在于无需预先计算不同原子的散射截面. 强场层析成像已成功应用于同核双原子分子结构的提取, 但对于更为普遍的异核分子体系, 其电子散射截面更为复杂, 该成像方案的适用性仍需进一步研究. 本文以异核双原子分子为例, 基于强场层析成像方案开展分子结构成像研究. 通过求解含时薛定谔方程, 获得光电子产量随分子轴取向角的变化, 并发展了一种异核分子散射截面随取向角变化的拟合方法. 通过拟合, 成功提取了分子核间距信息, 拟合结果与预设的分子核间距相一致. 研究结果表明, 强场层析成像方案同样适用于异核分子结构信息的提取, 为复杂分子体系的结构研究提供了新的可能性.
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