光子人工微结构材料中的若干类量子现象

类量子现象又称为量子现象的经典对应(quantum-classical analogies),它是利用经典波动行为与量子波动行为的相似性来模拟和研究量子现象.近年来,光子人工微结构材料中类量子现象研究很活跃,文章对这方面的有关研究进展做了简要介绍.内容主要包括光子晶体和超构材料(metamaterials)中的类凝聚态系统量子现象和类原子系统量子现象,如类石墨烯量子现象、类拓扑绝缘体量子现象、类量子动力学现象、类Rabi振荡现象、类电磁感应透明现象、类Fano共振现象等.     

铯蒸汽中的光存储现象的研究

光存储(light storage)现象在最近一段时间内受到了越来越多的关注.由于光子作为信息的载体有着天然的优越性,例如,传播速度快,信息量大等.所以各国科学家都在不断地寻找各种方法去操控光子.这其中电磁感应透明现象(EIT)的发现给我们提供了一个新的方法.电磁感应现象是指当两束相干光(通常被称为耦合光和探测光)进入到共振介质中时,由于量子相干效应使探测光可以在其中无吸收地传播.更引人瞩目的是与此伴随着介质表现出很强的群速度色散性质(如图1).我们可以利用这个性质来改变光脉冲在介质中的传播的群速度,最终把光脉冲存储下来.这在未来的全光通信和量子信息领域有着重要的意义.     

光量子开关

<正>经典信息网络中数据包通过路由器被准确地发送至收信地址。同样,在量子信息网络中,信息在网络节点间的准确传输也需要量子开关(量子路由器)。光子系统是量子通信和量子计算中常用的信息载体,因此光量子开关需要在不破坏光子所携带信息的情况下控制光子的传输路径。最近,以色列雷霍沃特的魏茨曼科学研究所Barak Dayan小组的一项研究有望解决这一问题。他们设计了一个光量子开关,实验原理如图1所示。通过控制耦合于微球光学谐振腔的铷原子量子     

考虑损耗的压电陶瓷常用振动模的等效电路(Ⅱ)——电场平行于传播方向的几种常用振动模

压电陶瓷的电场平行于波的传播方向的三种常用振动模如图1所示.由相应的压电方程,采用与文章相似的方法可得到它们的等效图,如图2所示.由于篇幅所限推导过程和图2中各元件的表达式从略. 自由振动时的等效电路图可简化成图3.图中各元件值,对电场平行于传播方向的厚度剪切片为:     

光子两自由度超并行量子计算与超纠缠态操控

光子系统在量子信息处理和传输过程中有非常重要的应用. 譬如, 利用光子与原子(或人工原子)之间的相互作用, 可以完成信息的安全传输、存储和快速的并行计算处理等任务. 光子系统具有多个自由度, 如极化、空间模式、轨道角动量、时间-能量、频率等自由度. 光子系统的多个自由度可以同时应用于量子信息处理过程. 超并行量子计算利用光子系统多个自由度的光量子态同时进行量子并行计算, 使量子计算具有更强的并行性, 且需要的量子资源少, 更能抵抗光子数损耗等噪声的影响. 多个自由度同时存在纠缠的光子系统量子态称为超纠缠态, 它能够提高量子通信的容量与安全性, 辅助完成一些重要的量子通信任务. 在本综述中, 我们简要介绍了光子系统两自由度量子态在量子信息中的一些新应用, 包括超并行量子计算、超纠缠态分析、超纠缠浓缩和纯化三个部分.     

光子增加双模压缩真空态在马赫-曾德尔干涉仪相位测量中的应用

量子度量学主要是利用量子效应来提高参数估计的精度,以期突破标准量子极限,甚至达到海森伯极限.本文研究了一般光子增加双模压缩真空态作为马赫-曾德尔干涉仪的探测态时,在何种情况下能够提高待测相位的测量精度.根据量子Fisher信息理论,尽管在探测态具有相同的平均光子数这一约束条件下,对称的和非对称的光子增加操作并不能提高相位的测量精度.但若是在给定初始压缩参数的情况下,对称的和非对称的光子增加操作却能够增强相位的测量精度.另外,基于宇称测量的研究结果表明,对于对称光子增加双模压缩真空态,只有当待测相位趋于零时,宇称测量才是最优测量.而对于非对称光子增加双模压缩真空态,宇称测量并不是最优测量方案.     

量子电动力学—粒子模拟极端等离子体动力学研究（英文）

新一代拍瓦激光装置有望将激光强度提升至10~(23)~10~(24)W·cm~(-2),在此极端强场条件下非线性量子电动力学效应对等离子体动力学过程产生重要影响.相对论电子在强电磁场作用下会同步辐射大量伽马光子,当后者穿过超强电磁场时会级联产生正负电子对.与此同时,这些量子电动力学效应也会反作用于激光等离子体相互作用过程,如辐射阻尼严重影响电子运动过程.为了研究这样极端的等离子体动力学,我们介绍最近几年发展的量子电动力学数值模拟模块,并将其耦合到传统的粒子模拟程序中,即量子电动力学-粒子模拟程序.由于大量新辐射的光子和产生的正负电子对会造成模拟粒子数目的不断增加,我们发展了粒子融合技术来减小模拟规模.利用此量子电动力学-粒子模拟程序,我们对极端强场激光物质相互作用以及极端天体物理现象开展了数值模拟研究.     

基于自发参量下转换的光子轨道角动量量子纠缠

作为光子重要自由度之一,轨道角动量(OAM)在光量子信息研究中占据着重要地位。将其与偏振等光子的其他自由度相结合,可实现多自由度光量子信息处理。此外,由于其具有天然的离散高维属性,故其是开展高维量子信息处理研究的最佳自由度之一。基于自发参量下转换非线性光学过程能够便捷地获得OAM纠缠源。近年来,光子OAM量子纠缠的研究受到了广泛关注,在多自由度、高维和多光子等多个方向都取得了重要进展。然而,该领域尚有诸多悬而未决的关键科学问题亟须深入研究,包括如何实现高效高质的OAM分离,如何实现更高维度的频率转换,如何提升多自由度纠缠源的品质,如何获得更多维度、更多光子的高维纠缠态以及如何构建可行的高维量子门等。从光子OAM最基本的二维操纵着手,综述了单光子OAM量子态调控、双光子及多光子OAM纠缠操纵。围绕多自由度、大角动量和高维等特性,从生成、调控、测量及应用等角度系统讨论了光子OAM量子纠缠。同时,探索了解决本方向关键科学问题的一些可能解决途径。     

三模腔-原子闭环系统中可控的量子干涉和光子传输

通过构造一个由相互垂直的两腔和一个二能级原子组成的光学腔-原子系统,研究可控的量子干涉引起的非传统光子传输现象.该系统中,两个正交腔之间通过光纤直接耦合和通过放在两腔交叉处的二能级原子间接耦合.该三模系统支持两个相互垂直的传播方向,即两探测场相互垂直.在考虑原子弛豫速率的情况下,该闭环系统中的光场、腔模与原子跃迁间相互作用所产生的可控量子干涉能导致一些新的对称或非对称的光子输运行为,如相干完美合成、相干完美透明.此外,输运的群速度也可调节,即产生快慢光效应.这些过程能够通过调节探测场间相对相位、两腔之间的隧穿耦合强度进行动态调控.该机制有望用于开发高效的量子信息处理和全光网络的功能元器件(如光开关和路由器等).     

极微弱脉冲光强度稳定控制技术

实际测量输出光强度随时间变化的随机过程是一个慢过程.将光衰减过程分为固定衰减和可变衰减两部分,设计制作了一种实时监控系统,通过调节自动反馈控制可变衰减器,使得末端固定衰减器的输出脉冲中,单光子脉冲出现的概率等于17.6%,多光子脉冲出现的概率低于2%,保持平均光子输出速率波动不大于0.1%,为量子密码术提供了稳定的准单光子源.     

基于cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案

提出了一种基于五粒子cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案.通信三方利用五粒子cluster态自身的粒子分布情况,结合诱骗光子,对粒子分别做Z基单粒子测量和Bell基测量,便可完成信道的第一次安全性检测.通信控制方Cindy通过对手中的粒子序列随机选用测量基(Z基或者X基)测量来决定信道容量,并通过经典信道公布结果.发送方Alice将要发送的信息以及校检信息用于对手中的粒子序列进行幺正操作编码,并插入诱骗光子后将编码后的粒子序列发给接收方Bob并通过经典信道告知其诱骗光子的位置信息.Bob接收到粒子序列后,按照经典信道Alice发送的信息,结合Cindy公布的信息,剔除诱骗光子后按照一定的规则对手中的两组粒子序列进行Bell基测量,便可解码完成第二次安全性检测以及得到Alice发送的信息.通过对五粒子cluster态的纠缠结构性质进行分析,阐明了五粒子cluster态在该方案中所表现出的特点的物理缘由.结果表明,只需变化测量基的规则和用于编码的粒子,可以将该方案推广成可控双向量子安全直接通信.     

单光子量子非破坏测量的实验实现

通常来说,光子的探测过程是一个破坏性的过程.将光信号转化为电信号,通过对电信号探测来得到光场的信息.在此过程中,"消灭”掉了光子,"产生”了光电子,因而无法对同一光子进行重复测量.但量子力学从本质上并没有这样的限制.比如,采用量子非破坏(QNDquantum non-demolition)测量方案,在量子光学领域中,已经实现了光强度的QND测量. 光强度QND测量是通过参考光束得到信号光束信息的.让参考光束与信号光束发生非共振相互作用一这样既保证了相互之间没有能量的交换(即不破坏信号光束),又保证了参考光束能从信号光束中抽出信息,同时信号光束的信息体现在参考光束波函数变化的相位上,用光学干涉仪对此变化观测,就得到信号光束的信息.     

阻塞效应及其应用

一、什么是阻塞效应 阻塞效应的基本思想远在1965年就提出来了[3,4]我们知道,单晶体中原子格点的有序排列,就使它具有特定的方向性,阻塞效应就是基于这一点.它可以分为轴向阻塞和面向阻塞两种.如图1所示:如果入射粒子的束流方向同晶体对称轴方向成一定的角度,则当探测器转到某个位置时,测得的粒子流会出现一个下降谷(dip),也叫影谷,则我们说出射粒子受到了晶体的轴向阻塞作用,或者说粒子被有序的晶轴上的原子列遮挡了.而面阻塞作用则是这样:当入射粒子同晶体对称面成一定角度,则探测器转到某个位置,就会受到原子平面中晶格原于的相互作用。…     

浅议莫尔现象及应用

莫尔(moire)一词来自法文,含义为波动的,或起波纹.在日常生活中,当我们将两块窗纱叠在一起时形成一种不规则明暗相间的花纹,这就是莫尔条纹.现在,莫尔现象已广泛应用于科学研究和工程技术之中,莫尔条纹作为精密计量手段可用于长度,角度、振动等领域的测量.1莫尔条纹的形成将两块参数相近的透射光栅以小角度叠合,将产生放大的光栅.如图1和图2为两块光栅常数相同的光栅A和B,叠合后得到如图3所示的放大光栅即莫尔条纹.     

光子高阶轨道角动量制备、调控及传感应用研究进展

光子既是经典信息也是量子信息的理想载体. 单个光子不仅可以携带自旋角动量(与光波的圆偏振相关), 还可以携带轨道角动量(与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子态构建一个高维的Hilbert空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自Allen等于1992年确认光子轨道角动量的物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量子纠缠态操控、旋转Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.     

双原子Jaynes-Cummings模型下的量子失协和超量子失协

在量子信息的研究中,量子关联起着至关重要的作用,而弱测量对揭示量子关联有重要作用.在双原子Jaynes-Cummings(JC)模型下,分析了量子失协和超量子失协两种量子关联随时间演化过程中的差异性,以及测量强度参数、平均光子数在决定量子关联和影响其动态演化的一般作用.结果表明,弱测量可以更好地揭示量子关联,不仅可以更好地揭示量子关联的复活,还可以获得更大的关联最大值;平均光子数会有效影响两种关联的消失与复活,平均光子数越大,量子关联的消失与复活越快;平均光子数较大时,使用旋波近似得到的弱测量下的超量子失协比强测量下的量子失协与实际误差更小.     

高能重离子超边缘碰撞中极化光致反应

本文旨在对近期高能重离子超边缘碰撞中光致产生过程的研究做一个简要综述.相对论性重离子激发的超强电磁场可以被近似认为是一束极高亮度的等效相干光子束流.本文主要讨论两类等效光子参与的高能产生过程:准实光子融合产生轻子对即Breit-Wheeler过程,以及等效光子与原子核内的胶子物质相互作用导致的矢量介子衍射产生过程.这两类过程是研究重离子超边缘碰撞的传统课题,本文主要侧重于讨论碰撞参数依赖效应与末态软光子重求和效应.另一方面,最近一系列研究揭示了相对论重离子所激发的准实光子是高度线性极化的,其极化方向平行于光子横动量方向;并指出可以通过重离子超边缘碰撞中轻子对产生过程的cos 4?方位角不对称来测量光子的线偏振度.这一理论预言随后被SATR合作组的测量所证实.伴随这一新的理论与实验进展,线性极化光子束流同时也给我们提供了一种新颖的实验手段,用来研究量子色动力学唯象学.如线偏振准实光子可导致矢量介子衍射产生过程的各种方位角不对称,通过研究这些方位角不对称可以让我们更深入地理解高能散射过程的双缝干涉效应、库仑-核反应的干涉过程,以及抽取光子维格纳函数等.本文将详述这些效应并讨论未来的理论与实...     

基于单光子的单向量子安全通信协议

提出了基于单光子的单向量子安全通信方案.发送方在对信息序列进行编码操作之前首先将其和随机序列进行异或操作并插入校验序列.接收方收到光子后对其进行延迟,此后发送方公布编码基从而使接收方在正确的基下进行测量.接着双方通过校验序列判断信道的安全性,如果信道安全,则发送方公布接收方有测量结果的位置所对应的随机序列,接收方由此恢复出信息序列;如果信道不安全,窃听者所获得的只是随机的发送序列,信息序列仍然是安全的.此协议与双向通信协议相比具有传输效率高、 易于实现等优点. 关键词： 量子密码 量子安全通信 单光子 单向通信     

用多带(MB)法计算非平衡辐射输运问题

为把线跃迁过程的共振效应算准,文提出了用多带法计算辐射输运问题的思想想。其基本思想是在一群内再把截面分成带,如图1所示。分带后,一个带用一个截面值(b-1,2,…,B)来表示。以截面带为标志,挑选出同一带内的光子,如图1中,2带的光子为E_(g,2),由实线所表示的三部分组成。带方程就是相对这同一带内的光子E_(g,b)建立的。从图1     

光子四维量子态隐形传输

多维量子纠缠态比二维纠缠态可加载更多的信息,多维量子系统是量子信息处理中一个很重要的资源.本文采用已实现的光子四维纠缠态,给出了光子四维量子态的张量表达式,并描述了四维量子态隐形传输的一般表示方法;通过讨论光子四维量子态系统的量子通道参数矩阵和测量矩阵的特性,得到实现完全传输和非零概率传输的充要条件.最后,本文给出在多种量子通道下的四维态的量子隐形传态方案,这一过程在张量分析表示下十分清晰明了.