圆柱曲面单光子量子雷达散射截面的理论研究

为研究圆柱曲面的单光子量子雷达散射截面与经典雷达散射截面相比存在的具体优势,引入光子波函数,将引起量子干涉的距离矢量进行分解,通过圆柱曲面的曲面积分推导得到了单基地单光子下的圆柱曲面量子雷达散射截面的封闭表达式.分析了不同电尺寸的圆柱曲面长度和曲率半径的影响,对比了圆柱曲面量子雷达散射截面与经典雷达散射截面的封闭表达式.封闭表达式的分析和仿真结果都表明,圆柱曲面长度的电尺寸决定量子雷达散射截面的旁瓣数,曲率半径的电尺寸决定了量子雷达散射截面曲线的包络,量子雷达散射截面的整体强度与曲率半径的电尺寸呈线性关系.圆柱曲面的量子雷达散射截面与经典雷达散射截面相比具有旁瓣增强的优势,有利于隐身目标的探测.     

曲面目标量子雷达散射截面分析

为研究曲面目标的量子雷达散射截面(QRCS)特性,以圆柱曲面为数学模型,并根据光子与镜面物质相互作用的量子描述,分别引入单光子和双光子的概率波函数。基于经典雷达散射截面(CRCS)定义式,分别推导了单光子和双光子的QRCS解析式,并对多光子的QRCS定义进行了扩展和推导。对QRCS和CRCS截然不同的物理本质及其相互关系进行了分析。仿真结果表明,双光子QRCS在不同入射角度下形成的波形在毫米波段出现畸变,因此单光子QRCS具有更好的性能;与CRCS相比,QRCS的主旁瓣比更高。     

金属目标原子晶格结构对其量子雷达散射截面的影响

量子雷达散射截面是描述光量子态照射下目标可见性的重要参数. 本文对量子雷达散射截面的推导进行了扩展, 使其可以应用于非平面凸目标的QRCS计算. 针对面心立方、体心立方以及密排六方三种金属原子晶格所构成的目标的量子雷达散射截面进行了计算, 结果表明不同的原子排列方式下, 目标QRCS主瓣基本不变, 而量子旁瓣在原子排列稀疏的目标中更为明显.     

单光子源及在量子信息领域的应用

光量子比特是量子计算和量子通信的理想候选体系之一。高效率、高品质、确定性的单光子源是实现光学量子计算和绝对安全量子通信的重要前提条件。自组装半导体量子点,又称“人造原子”,具有优良的单光子性和光子全同性,是理想的单光子源。此外,量子点可以通过外加电场,囚禁单个原子或空穴,作为光子-自旋比特的界面,构建可扩展光量子网络。微柱腔耦合的量子点,拥有很强的Purcell效应,在保持单光子性和光子全同性的同时,大大地提高了提取效率,且具有很好的相干性,可用于大规模量子计算。近年来,人们在二维单原子层材料中发现了非经典的单光子发射,使二维材料和量子光学领域得到了结合,开辟了新的研究路线：探索单原子层材料在量子技术的潜在应用。和传统固态单光子源系统相比,二维材料更易于与其他光电平台结合,可人为控制缺陷位置,有利于推动高品质、低成本单光子源的发展,得到了科学家的广泛关注。本报告首先从量子计算和量子通信两方面提出发展单光子源的意义,接着介绍单光子源的性质和产生原理,然后介绍单光子源在自组装半导体量子点和二维单原子层材料中的实现和发展,最后从光子-自旋量子隐形传态和玻色采样实验中讨论单光子源在量子计算和量子网络方面的应用前景。     

微腔增强发射的半导体量子点单光子源

单光子源是实现量子密匙分配、线性光学量子计算的基本单元。作者回顾了单光子源在量子信息科学发展中的作用,讨论了光子的统计特性,分析了具有类似原子二能级结构的半导体量子点作为单光子发射源的特点,介绍了微腔与二能级系统的耦合以及微腔量子电动力学基本原理。在弱耦合区,Purcell效应导致微腔中量子点激子复合寿命降低,因此可用微腔来改善量子点单光子发射效率。文章总结了近年来在半导体微腔增强量子点单光子发射领域的进展,探讨了分布式布拉格反射微腔、柱状微腔和光子晶体微腔等结构对改善半导体量子点单光子发射和收集效率、光子极化以及光子全同性等方面的作用,并对未来半导体量子点单光子源的发展进行了展望。     

单光子纠缠态的纠缠转移和量子隐形传态

使用光学分束器和单光子源，利用单光子态和真空态制备出了纠缠单光子态.利用光学分束器作用和单光子探测，实现了三个通讯伙伴之间的纠缠转移.提出了一个关于纠缠单光子态的量子隐形传态方案.在这个方案中，被传送的是一个未知的单光子纠缠态.通讯双方使用的量子信道是两个单光子纠缠态.通过使用分束器作用和对输出态进行光子测量以及在经典信息的帮助下，纠缠转移和量子隐形传态的过程被完成.     

激光场中量子散射三重微分散射截面的研究

在量子散射框架下,对真实激光场引进多光子相互作用准静态过程模型,考虑束缚-自由跃迁中电磁场的规范一致性及电子与激光场长程相互作用的极限,研究激光场对量子散射过程中三重微分散射截面的影响.多数共面非对称情况下激光场对三重微分散射截面有提升作用,此外靶原子处于激发态时binary峰出现分裂,激光场对三重微分散射截面也有放大作用.     

一句话新闻

日本东芝公司的科学家们第一次成功地制成了能发射单个光子的发光二极管 ,这是一个电驱动的单光子光源 .他们将砷化铟量子点嵌入砷化镓基底上 .量子点可以从电流脉冲中获得若干电子与空穴 ,当单个电子与空穴复合时可产生一个单光子 ,如果在同一时刻能发射多个光子的话 ,多余的光子就能在不被探测到的情况下被吸出 ,这时在量子保密通信时就可能被偷听者截取信息 .因此单光子发光管在量子密码通信中具有极其重要的作用 .最近德国Ｋｏｎｓｔａｎｚ和Ｄｕｓｓｅｌｄｏｒｆ大学的Ｈ .Ｍｕｅｌｌｅｒ教授及其同事们对 19世纪迈克耳孙 -莫雷的实验…     

量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射

半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到10⁷以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.     

非旋波近似下双光子Jaynes—Cummings模型的量子特性

在非旋波近似下对双光子Jaynes-Cummings(J-C)模型与单模相干态光场相互作用的量子特性进行了精确求解。对双光子J-C模型与单光子J-C模型量子纠缠和原子布居数反转的演化特点进行了对比,讨论了平均光子数、光场与原子之间的耦合强度以及失谐对量子纠缠以及原子布居数反转的影响,数值计算的结果表明,随着光场与原子之间耦合强度的增大,量子纠缠的周期性逐渐消失,随着平均光子数的增加,纠缠达到较稳定的最大值所需时间逐渐增大。无论耦合强度、平均光子数还是失谐的增大,由非旋波项产生的虚光子效应逐渐增强,量子纠缠演化曲线和原子布居数反转的塌缩区出现小锯齿状振荡。     

基于单光子双量子态的确定性安全量子通信

量子通信是量子科学技术的一个重要研究领域,是一种利用量子力学原理,能够在合法各方之间安全地传输私密信息的通信方式.基于单光子的确定性安全量子通信通常需要在发送方和接收方之间来回两次传输单光子态,并利用局域幺正变换加载信息.本文提出了一种单向传输单光子态的确定性安全量子通信方案.发送方利用单光子的极化和time-bin两自由度构成的两组共轭基矢量来编码经典逻辑比特.接收方通过设计合适的测量装置可以在发送方辅助下确定性地获取比特信息并感知窃听,从而实现信息的确定性安全传输.另外,我们的协议使用线性光学元件和单光子探测器,可以在当前的量子通信装置上实现.     

基于微型光学偶极阱中单个铯原子俘获与操控的852 nm触发式单光子源

基于单原子操控的单光子源具有窄带宽、可与同类原子吸收线匹配、基本不受外界环境因素的影响等特点,在量子光学基本问题研究及量子信息处理等方面具有重要价值.本文研究了强聚焦1064 nm基模高斯光束形成的光学偶极阱中铯原子6S_(1/2)|F_g=4,mF=+4-6P_(3/2)|F_e=5,m_F=+5循环跃迁的光频移,并在实验上进行了测量.基于共振脉冲光激发俘获在远失谐微型光学偶极阱中的单个铯原子,实验演示了10 MHz重复频率的触发式852 nm单光子源.采用基于单光子探测器的Hanbry Brown-Twiss实验系统,对单光子源的二阶相干度进行了测量,零延时处符合计数值为0.09,实验显示单光子源呈现显著的光子反群聚特性.     

激光场中量子散射三重微分散射截面的研究

在量子散射框架下,对真实激光场引进多光子相互作用准静态过程模型,考虑束缚-自由跃迁中电磁场的规范一致性及电子与激光场长程相互作用的极限,研究激光场对量子散射过程中三重微分散射截面的影响。多数共面非对称情况下激光场对三重微分散射截面有提升作用,此外靶原子处于激发态时binary峰出现分裂,激光场对三重微分散射截面也有放大作用。     

光学偶极俘获及单量子测量

对目前的腔QED系统实现强耦合的条件进行了讨论.主要内容包括:获得强耦合的一般条件,我们目前的可能达到的最好结果分析:不同腔组合可能达到的参数,与量子点、光子晶体、纳米腔以及微球腔QED的比较;单原子(单光子)测量的基本过程:单原子辐射的基本特点,非经典性的测量,包括差拍测量,光子统计特性的分析.不同单光子量子态(或多光子量子态)在采用HBT实验测量中的修正等问题.对热光和相干光的初步实验对比证实了理论模型.原子操控的进展:铯原子光学偶极俘获,最近的实验结果,利用CCD荧光探测对偶极阱的测量结果.     

锥柱复合目标激光距离多普勒像分析模型

激光距离多普勒成像技术在航天和国防应用领域受到极大的关注.文章建立了锥柱复合目标的激光距离多普勒像分析模型,包括底面的贡献.该模型能分析锥柱复合目标的几何参量、表面粗糙度、姿态、角速度和脉冲宽度等因素对激光距离多普勒像的影响,并能退化到圆柱和圆锥的激光距离多普勒像分析模型,也能退化到平面波下的多普勒谱分析模型.分析了几何参量和姿态对距离多普勒像的影响.计算结果表明,锥柱复合目标距离多普勒像能体现出目标的几何形状和姿态信息.理论和测量相结合,该分析模型能用来进行圆柱、圆锥及锥柱复合目标物理和几何参量的识别,其解析表达式对于多普勒速度计和激光雷达应用有着重要的意义.     

耦合腔阵列与Λ-型三能级原子非局域耦合系统中单光子的传输特性研究

讨论了理想和非理想情况下耦合腔阵列中两个最邻近的腔与Λ-型三能级原子非局域耦合系统中单光子的传输特性.运用准玻色子方法,精确地解出了开放系统中单光子的透射率.Λ-型三能级原子与耦合腔阵列非局域耦合系统具有更多的优点,如:该系统比其他系统调控光子传输特性的可调控参数更多;单光子在该系统中传输的透射谱有三个透射峰.此外,该系统还具有自身的特点,当拉比频率?取值给定之后,改变原子与其中一个腔的耦合强度时,光子的透射谱有一个透射率始终为1的定点,该点对应的光子频率为ω_c-?.在非理想情况下,系统耗散对光子的透射谱有着很大的影响.当只考虑原子耗散时,耗散使得光子透射谱的谷值增大,而峰值不变;当只考虑腔场耗散时,光子透射谱的峰值减小,而谷值不变.另外,随着腔场耗散率和腔的个数的增多,光子透射谱的峰值逐渐减小,但谷值始终不变.对比原子耗散和腔场耗散的情况可以发现,原子耗散使得光子不能被完全反射,而腔场耗散使得光子不能被完全透射.当同时考虑原子和腔场耗散时,光子透射谱谷值的大小不但会受原子耗散率大小的影响,也受腔场耗散率大小的影响,随着腔场耗散率的增大,谷值反而减小;而光子透射谱的峰值始终只受腔场耗散率大小和腔的个数的影响,与原子耗散率取值的大小无关.     

基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用

设计了一种基于超材料电磁特性的吸波体, 并将其应用于波导缝隙天线. 该吸波体是由两层金属及其中间的有耗介质组成, 上层金属是由刻蚀交叉缝隙的贴片形成的电谐振器, 下层金属不刻蚀, 作为整个金属地板. 通过优化结构参数, 得到了一种极化不敏感、宽入射角的超薄吸波体, 吸波率达到99.1%, 厚度只有约0.01λ. 将该吸波体应用与波导缝隙天线, 在5.48-5.7 GHz工作频段内, 天线雷达散射截面减缩都在3 dB以上, 在鼻锥方向的-25°-+25°范围的角度上, 天线雷达散射截面减缩均在5 dB以上, 雷达散射截面减缩最大超过12 dB, 而天线前向增益仅降低了0.53 dB. 实验结果与仿真结果符合得较好, 证实了该吸波体具有好的天线雷达散射截面减缩效果, 可以应用于天线目标的隐身.     

耗散耦合腔阵列耦合量子化腔场驱动三能级体系中的单光子输运

基于准玻色方法,解析求解了环境作用下一维耦合腔阵列耦合一个量子化腔场驱动的级联能级原子系统中单光子输运的反射率、透射率和相应等效势的表达式,并详细讨论了耗散情况下控制参数对单光子输运的影响.研究结果表明:在实验范围内选择合适的参数时,原子耗散和腔场耗散都能使反射率峰值降低,但原子耗散影响反射率较大,同等参数取值条件下反射率峰值减小更为显著;更为重要的是对于在环境作用下的体系,通过调节原子和腔场之间的失谐以及驱动量子化腔场的光子数仍可使单光子接近达到全反射.     

量子密码通信中量子比特率理论分析

在量子密钥分配中,量子比特率是一个重要的系统参数。通过引入测量因子和筛选因子,建立了基于理想单光子源和泊松分布单光子源的量子比特率理论模型,给出了量子比特率的表达式,并对两种单光子源进行了比较分析。结果表明,当平均光子数大于1时,泊松分布单光子源能被优化。在发射机脉冲重复率一定的条件下,采用泊松分布单光子源无法达到理想单光子源的量子比特率,这是为保密通信所必须付出的代价。     

利用Λ型原子与双模腔场的相互作用进行量子信息处理

利用Λ型三能级原子与一个两模腔场在两光子共振和单光子大失谐条件下的相互作用模型，给出了制备两个和三个远距离的腔场的纠缠态和如何实现一个量子比特的原子态的远距离转移、纠缠态的转移的方案；同时找到了一种不用进行Bell基测量而实现纠缠交换的方法；构造了实现量子交换门的操作.最后对实验的可行性进行了分析. 关键词： 量子信息处理 Λ型原子 双模腔场 相互作用