基于光量子的真随机源

介绍基于单光子的量子随机性产生二元真随机序列的实验以及所采用的数学处理方法.实验利用单光子探测器,较高速的信号处理电路和计算机数据采集系统,接收记录随机选择反射或折射路径通过50/50分束器的光子,从而获得原始的二元随机序列.用Huffman编码方法把原始数据压缩为符合密码学要求的真随机序列.随机序列采集的速率理论上可达200kbit/s. 关键词： 真随机数源 单光子 光子束器 Huffman编码及数据压缩     

超导转变边沿单光子探测器原理与研究进展

量子信息技术近十多年来的快速发展对单光子探测器的性能提出了更高的要求,高性能单光子探测器也因此受到了更多的关注.与传统的单光子探测器相比,超导转变边沿(TES)单光子探测器在探测效率、能量分辨、光子数分辨和暗计数等方面具有突出优势.目前,超导TES单光子探测器已经被成功地应用在量子光学实验和量子密钥分配系统中,未来在量子信息技术等研究领域具有更广泛的应用.本文从超导TES单光子探测器的工作原理、制备流程、测试系统、主要性能指标以及研究现状和进展等方面对该探测器技术进行简要综述.     

基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源

提出了一种基于单光子脉冲时间随机性的光量子随机源。利用衰减成单光子态的光强恒定光源和一个单光子探测器产生单光子随机脉冲,通过连续比较单光子随机脉冲序列中相邻两个脉冲的时间间隔来提取随机位。通过设计高速响应的微通道板单光子探测器和基于现场可编程门阵列(FPGA)的随机位提取电路,获得了超过10Mbit/s的随机位产生速率。通过采用恒比定时和对计数时钟倍频的方法提高时间间隔的测量精度,从而减小随机位序列的相关系数。当光量子随机源的随机位产生速率在10kbit/s以下时,所获得的二进制随机位序列的相关系数小于0.001。运用随机性测试程序ENT和DIEHARD对所获的随机位序列进行测试,测试结果表明序列的随机性非常好且不需要后续处理,完全满足真随机数的标准。     

相位调制量子密钥分配实验系统研制

中国科学技术大学量子信息重点实验室建立了一套量子密钥分配实验装置.该系统用强衰减850nm脉冲激光器作为单光子光源;编码方式以不等臂M-Z干涉仪为基础的相位调制法;相位调制基于自制的压电陶瓷环控制的全光纤相调制器;探测器采用EG&G公司生产的SPCM-AQR集成单光子计数模块,其最大暗计数小于50/S.     

红外InGaAs/InP单光子探测器暗计数的研究

在开发探测器灵敏度极限实现单光子探测时,暗计数是影响探测效率的主要原因.本文分析了在红外波段采用InGaAs/InP雪崩光电二极管工作于雪崩击穿电压之上(盖革模式),进行单光子探测时暗计数的三个主要来源,指出隧穿效应对暗计数的贡献是很小的,并且针对热噪声和后脉冲分析了减小暗计数的有效方法.     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

长距离长期稳定的量子密钥分发系统

介绍了最近完成的长距离长期稳定的量子密钥分发系统.该系统利用往返光路补偿光纤偏振 抖动和相位漂移的原理,采用结电容平衡魔T网络耦合的单光子探测技术,在506km单模 光纤中实现了长时间（大于12h）稳定的量子密钥分发实验.单脉冲平均光子数为007, 误码率为4%,其中单光子探测器的探测效率大于5%,单脉冲暗计数低于29×10^{-6. 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 单光子探测}     

超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器,具有灵敏度高、时间精度高、探测速度快和暗计数低等特点,在激光测距等领域具有重要应用前景.本文将SNSPD应用到1064 nm波段激光测距系统,研究了其暗计数和信噪比对激光测距的影响.基于实验获得的回波数据,结合激光雷达理论,研究了系统信噪比与脉冲积累次数的关系.分析表明,SNSPD暗计数是影响测距距离的关键因素之一.结合仿真,进一步探究了基于SNSPD的激光测距系统信噪比与回波率、暗计数的关系,暗计数较大时,信噪比随脉冲积累次数增加出现波动现象,回波信号湮没.由于SNSPD暗计数极低,本基于SNSPD的测距系统最远测距可达280 km,较同样条件下基于APD探测器的测距系统最远探测距离远40 km,在军事侦查、探测和制导等领域具有重要应用前景.     

超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。     

Non-Hermitian Tridiagonal Random Matrices and Returns to the Origin of a Random Walk

We study a class of tridiagonal matrix models, the q-roots of unity models, which includes the sign (q=2) and the clock (q=) models by Feinberg and Zee. We find that the eigenvalue densities are bounded by and have the symmetries of the regular polygon with 2q sides, in the complex plane. Furthermore, the averaged traces of M ^k are integers that count closed random walks on the line such that each site is visited a number of times multiple of q. We obtain an explicit evaluation for them.     

Behavior of general one-dimensional diffusion processes

We develop simple rigorous techniques to estimate the behavior of general one-dimensional diffusion processes. Any one-dimensional diffusion process (with drift) can be mapped onto a symmetric diffusion through an explicit change of variable. For such processes we can estimate explicitly the diffusion exponent, the recurrence properties, and the large fluctuations. In a second part, we apply these results to different models (including the Sinaï random walk: diffusion in a random drift) and we show how the main features of the diffusion can be readily handled.     

Asymptotic properties of multistate random walks. II. Applications to inhomogeneous periodic and random lattices

The previously developed formalism for the calculation of asymptotic properties of multistate random walks is used to study random walks on several inhomogeneous periodic lattices, where the periodically repeated unit cell contains a number of inequivalent sites, as well as on lattices with a random distribution of inequivalent sites. We concentrate on the question whether the random walk properties depend on the spatial arrangement of the sites in the unit cell, or only on the number density of the different types of sites. Specifically we consider lattices with periodic and random arrangements of columns and lattices with periodic and random arrangements of anisotropic scatterers.     

本征态的局域化与增益介质中局域态的放大

用时域有限差分方法(FDTD)模拟了二维增益、非增益随机介质中的光学现象。在非增益介质中，观察到了局域态空间分布及其频率特征。在增益介质中，观察到局域态的放大过程。模拟结果显示非增益介质中的局域态相当于传统激光腔的腔模，随机激光是由局域态谐振产生的。     

Persistent Random Walks in Stationary Environment

We study the behavior of persistent random walks (RW) on the integers in a random environment. A complete characterization of the almost sure limit behavior of these processes, including the law of large numbers, is obtained. This is done in a general situation where the environmental sequence of random variables is stationary and ergodic. Szász and Tóth obtained a central limit theorem when the ratio /, of right- and left-transpassing probabilities satisfies /a<1 a.s. (for a given constant a). We consider the case where / has wider fluctuations; we shall observe that an unusual situation arises: the RW may converge a.s. to infinity even with zero drift. Then, we obtain nonclassical limiting distributions for the RW. Proofs are based on the introduction of suitable branching processes in order to count the steps performed by the RW.     

Persistent random walks in a one-dimensional random environment

Central limit theorems are obtained for persistent random walks in a onedimensional random environment. They also imply the central limit theorem for the motion of a test particle in an infinite equilibrium system of point particles where the free motion of particles is combined with a random collision mechanism and the velocities can take on three possible values.Work supported by the Central Research Fund of the Hungarian Academy of Sciences (grant No. 476/82).     

From Random Matrices to Stochastic Operators

We propose that classical random matrix models are properly viewed as finite difference schemes for stochastic differential operators. Three particular stochastic operators commonly arise, each associated with a familiar class of local eigenvalue behavior. The stochastic Airy operator displays soft edge behavior, associated with the Airy kernel. The stochastic Bessel operator displays hard edge behavior, associated with the Bessel kernel. The article concludes with suggestions for a stochastic sine operator, which would display bulk behavior, associated with the sine kernel.     

湍流等离子体鞘套中高斯光束的传播特性分析

为了研究高斯光束在湍流等离子体鞘套中的传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,用多随机相位屏来模拟湍流带来的影响.根据超声速飞行器绕流等离子体流场厚度在厘米级别的特点,光束在两个相位屏之间的传输过程中采用菲涅耳衍射积分的两次快速傅里叶变换算法(double fast Fourier transform algorithm),利用多随机相位屏模拟等离子体鞘套湍流对光束传输产生的影响,解决了多随机相位屏模拟湍流研究中的超短距离传输问题.当飞行高度为45 km,飞行速度为18马赫时,通过对超声速飞行器绕流等离子体流场的统计分析,发现在此飞行条件下折射率起伏方差的强度范围10~(–11)—10~(–14).对高斯光束在湍流等离子体流场中的传输特性进行了数值仿真.结果表明:在等离子体鞘套湍流中折射率起伏强度、波长、传输距离等都是影响高斯光束质量的重要因素.折射率方差越大,传输距离越长,光斑弥散越严重,光强起伏越大,光强减弱也越明显.光束的波长越长,高斯光束抑制湍流的能力越强,光斑弥散程度越小,光强起伏也越小.     

蒙特卡罗方法的两个基本问题

随机数的产生和概率分布的随机抽样方法,是蒙特卡罗方法的两个最基本的问题。对这两个问题的处理目前仍然因循60年前蒙特卡罗方法诞生初期的技术途径,因此长期受一些无法彻底解决的问题所困扰,同时也面临一些新问题的挑战。分析了上述问题,分别对随机数的产生和任意分布的抽样方法给出了新的技术解决途径。The producation of random number and the sampling of random distribution are two foundational problems in Monte Carlo Mothed. In this paper, we carry out some new ways to treat the problems.     

非完整超晶格中电子透射问题的计算机模拟

采用转移矩阵方法,模拟研究了垒高无序和阱宽无序非完整超晶格的电子态问题.计算了垒高无序有限超晶格的透射谱和其局域态波函数以及阱宽无序有限超晶格的透射谱和本征值,直观地给出了垒高无序和阱宽无序非完整有限超晶格其电子态行为的物理图像.模拟结果表明:垒高无序和阱宽无序这两种常见非完整一维有限超晶格的子带带隙间均存在强烈的电子运动定域化,且电子波的布喇格散射对周期性势场更敏感;这两种非完整性引起的局域,通过计算电子局域态波函数和有限系统的本征值得到了证实;对本文讨论的这种类型和周期的超晶格,如果控制阱宽在9.1～10.9nm间随机变化,即阱宽的值最大相差1.8岫时,计算机模拟的结果是,阱宽的这种非周期性开始使子带的带隙消失.