光极限探测技术在空间通信中的应用

光是人类最早的科学研究对象之一,光子是光的最小能量单元,具备量子的基本特征.随着科学技术发展,人类已经能够实现对单个光子的极限探测.光的常规探测已经普遍应用于地面光纤通信中,而光的极限探测则在空间量子通信及深空超远距离光通信中具备重要的应用价值.文章介绍了光极限探测技术在空间量子科学实验、空间光子通信中的典型应用及涉及...     

光量子信息传输技术

指出光量子信息传输与常规光通信不同的特点。量子信息的传输的载体选用单光子。单光子是由复振幅概率波迭加的波函数来表示的。其本征函数是一组完全正交的偏振态。量子编码即是由表征光子量子态的复数概率波振幅的变化来实现的，传输光纤的双折射和光子的偏振性质是要考虑的一个关键问题。指出用于量子信息编码的三组互为共轭的量子态之间的转化及相位调制对量子态演化的作用，由此比较了各种量子信息传输的方法。     

光通信回顾与前瞻

光通信是从电通信发展而来的，是成熟的电通信技术与先进的光子技术的结合；光通信的快速发展得益于这两种技术．在电通信时代，通信的奋斗目标是提高通信量及通信距离．为了提高通信量，人们竭力缩短载波的波长，从长波到短波，再到微波及毫米波，更进一步而采用微米波．波长为微米的电磁波就是光波，其波长低于毫米波3个量级，所能携带的通信量也相应地提高3个量级．利用光波的通信就是光通信．     

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.     

结构光场编译码通信研究进展

结构光场是一类对光波空间结构进行剪裁的特殊光场。广义的结构光场包括具有空间变化的幅度、相位、偏振分布和空间阵列分布的光场。结构光场因其独特性而在光学操控、显微、成像、计量、传感、非线性光学、天文学、量子科学和光通信等领域获得了广泛应用。基于结构光场的光通信技术包括复用通信和编译码通信。本文回顾了结构光场编译码通信的研究进展,全面综述了结构光场的产生方法以及不同空间模式(轨道角动量模式、无衍射贝塞尔模式、线偏振模式、矢量模式、空间阵列)、不同编码方式(直接模式编码、高速映射)和不同应用场景(光子芯片、自由空间、光纤)的结构光场的编译码通信,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。结构光场编译码通信开发了光场空间域维度资源,有望为解决光通信新容量危机和实现光通信可持续扩容提供潜在的解决方案。     

《信息光子学物理》书评

国内外很多科学家指出，20世纪90年代后期，人类进入了“信息时代”．其主要的技术支撑是微电子与计算机技术、激光器与光通信技术，它们把信息的传输能力、处理能力以及存储与显示能力提高了数千倍到数万倍．进入21世纪，人类对信息的传输速率、存储容量、处理与显示能力均提出了更高的要求，已经开始用太比特（Tb）或太比特每秒（Tb／s）来量度．要实现这一技术突破，唯有光学、光子学能够担当此使命．所以科学家把20世纪称为电子时代，而21世纪称为光子时代，“可以肯定，光子与电子将携手合作，和谐共建绚丽灿烂的21世纪”．     

全光纤光子集成器件及系统

本对全光纤光子集成器件与系统进行了较为全面地综述,结合我们的工作,对目前的研究热点：光纤光栅,光纤激光器,光纤放大器,光纤光栅分插器与传感器等诸多光子器件以及由这些器件组成的波分复用通信系统进行了介绍和评述,一些新成果和新进展表明,这些光子器件与系统在当今和未来的光通信中将发挥重要作用。     

自由空间光通信地面演示系统光束APT设计与实现

自由空间光通信将成为未来空基通信一种可行且诱人的通信手段。光束的捕获、对准和跟踪是自由空间光通信中必须解决的关键技术之一。本文对设计的自由空间光通信地面演示系统进行分析。详细论述演示系统的组成及功能，APT伺服系统的设计和演示实验的工作流程。最后给出实验测试结果。     

基于六光子量子避错码的量子密钥分发方案

量子信道中不可避免存在的噪声将扭曲被传输的信息,对通信造成危害。目前克服量子信道噪声的较好方案是量子避错码（QEAC）。将量子避错码思想用于量子密钥分发,能有效克服信道中的噪声,且无需复杂的系统。用六光子构造了量子避错码,提出了一种丛于六光子避错码的量子密钥分发（QDK）方案。以提高量子密钥分发的量子比特效率和安全性为前提,对六光子避错码的所有可能态进行组合,得到一种六光子避错码的最优组合方法,可将两比特信息编码在一个态中,根据测肇结果和分组信息进行解码,得到正确信息的平均概率为7／16。与最近的基于四光子避错码的克服量子信道噪声的量子密钥分发方案相比,该方案的量子比特效率提高了16．67％,密钥分发安全性足它的3．5倍。     

三维光子集成芯片的进展与挑战（特邀）

以光子为信息传输媒介的光子集成芯片,具有高带宽、高速率、高灵敏度等优点,在光通信、光互联、光学传感等领域得到了广泛的研究与应用。为了进一步提高光子集成芯片的集成度、扩展光子集成芯片的功能,在原本二维平面的光子集成芯片的基础上,通过晶圆键合、气相沉积、磁控溅射等方法,制备三维集成光子芯片。利用多层堆叠的方式,使光子集成芯片在厚度上进行拓展,在紧凑的尺寸上,实现大规模集成光子芯片的制备。本文介绍了几种三维光子集成芯片的材料平台与制备工艺,包括单晶硅（c-Si）键合、SiN-on-SOI、非晶硅（a-Si）沉积、多晶硅（p-Si）沉积和聚合物三维光子集成芯片制造平台,结合关键器件与在光互连、光通信、激光雷达等领域的应用,介绍了不同工艺平台的发展现状与挑战。     

一种基于纠缠态的量子中继通信系统

提出了一种基于纠缠态的量子中继通信系统,该系统应用纠缠为基本资源.纠缠为量子隐形传态和绝对安全的量子通信提供了保证.量子中继器用来延长高纠缠度的纠缠光子对的纠缠距离,利用纠缠交换和纠缠纯化在系统的发信者与受信者之间建立光子对的纠缠.应用量子隐形传态的原理传输量子信息.系统分析表明,量子通信系统的吞吐率随着通信双方成功建立纠缠的概率增大而显著增加,量子信号的传输距离取决于量子中继节点的级数.     

自由空间宽谱部分相干光通信系统

大气湍流对自由空间光通信系统所造成的影响是不可忽略的，为了减弱湍流对空间光通信系统带来的影响，实验搭建了一套通信距离为900 m的真实大气信道宽谱部分相干光通信系统。系统采用皮秒脉冲泵浦高非线性光纤产生超连续谱并滤波得到部分相干宽谱脉冲，对其调制后完成通信。在测试过程中，实验专门设置了一条参考链路，保证了测试环境的一致性。实验结果表明，在中等湍流条件下，系统光强闪烁指数为0.035 8，相比窄线宽通信系统提升了23%，最低探测灵敏度达到了-23.35 dBm，相比窄线宽通信系统提升了42%。与窄线宽激光通信系统相比，宽谱部分相干光通信系统可以明显降低湍流引起的光功率抖动，并提升自由空间光通信系统通信性能。     

光量子开关

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态,能够实现量子开关对光纤中光子传输路径的选择(包含两个输入路径和两个输出路径)。通过原子与光子的连续相互作用,光量子开关能够达到控制光子传输路径而不破坏编码在光子叠加态中的量子信息的效果。     

紫外光通信用日盲型LED研究进展

紫外光通信在激光雷达、战术通信、航空航天内部安全通讯和片上集成通信等领域有着重要应用前景。传统的紫外光通信LED光源的调制带宽窄、输出光功率低和制造工艺复杂等缺点限制了它在长距离、高速率通信和片上集成通信领域的广泛应用。实验表明，增加单个器件发光面积可提升光输出功率，但增加的器件电容对带宽提升是不利的，因此紫外光通信LED未来的重要研究方向是提升并优化带宽的同时增加器件的光功率密度。UVC Micro-LED器件有着光提取效率高、时间常数小、载流子寿命短、调制速率快及工作电流密度高等出色性能，因此在通讯领域受到科研界和工业界的广泛青睐。本文总结了紫外LED、特别是UVC MicroLED的相关研究进展，并重点介绍了它们在光通信及其片上集成互联方面的应用。研究发现，对UVC MicroLED及其阵列制备与性能提升加强研究，是未来提升自由空间和片上互联紫外通信系统性能的最佳解决方案之一。     

月地光通信的链路设计(英文)

光通信技术可以满足未来深空探测对较大带宽的需求,因此光通信技术具有很好的应用前景.本文主要对月地光通信的链路进行了设计,从而实现月地通信链路中数据的大容量传输.首先,文中对月地光通信系统链路中主要参数设计进行仿真分析,主要包括信号光的接收功率、链路容量,以及收发天线增益和信息空间损耗的近似计算.另外还对脉冲位置调制下的信息传输效率和带宽利用率进行了仿真分析.结果表明,收发天线的直径和信息帧的时隙数对通信的影响较大,在通信的过程中需要对其进行优化设计,并且光源波长的选择也要合理.因此,本文的研究对实际的月地光通信链路设计具有一定的理论指导意义.     

构建长距离量子通信中继器的研究努力

量子比特可借助于各种物理量进行编码，例如，光子的极化态，原子的自旋态等．为了使量子比特实际有用，它们与外部世界的随机耦合（退相干效应）必须被尽力避免．光子在传输的进程中本征退相干效应极小．但是，当光信号在光纤中传输时，它的强度会衰减．衰减的程度随传输距离以指数方式增大，例如，15km衰减到1／2，100km衰减到1／100．对于经典通信来说，中继器起放大信号的作用．但是，经典中继器不能被用于量子通信，因为它的噪声太大，以至于产生太多的错误量子比特．正在被研发的量子中继器，实际上是一个量子微处理器．它能够存储和处理一个一个的量子比特，并保证量子态的高保真复现。     

世界图书出版公司北京公司影印物理类新书推荐

量子比特可借助于各种物理量进行编码，例如，光子的极化态，原子的自旋态等．为了使量子比特实际有用，它们与外部世界的随机耦合（退相干效应）必须被尽力避免．光子在传输的进程中本征退相干效应极小．但是，当光信号在光纤中传输时，它的强度会衰减．衰减的程度随传输距离以指数方式增大，例如，15km衰减到1／2，100km衰减到1／100．对于经典通信来说，中继器起放大信号的作用．但是，经典中继器不能被用于量子通信，因为它的噪声太大，以至于产生太多的错误量子比特．正在被研发的量子中继器，实际上是一个量子微处理器．它能够存储和处理一个一个的量子比特，并保证量子态的高保真复现。     

空间光通信ATP系统设计中的基本概念及关键参数探讨

空间光捕获、跟踪、对准(ATP)技术的采用是为了保证空间光通信系统建立可取通信链路，它是实现空间光通信需要首先突破和解决的关键技术。空间光通信ATP子系统中的瞄准误差等关键参数直接影响系统总体性能以及对总体设计指标的确定，在一定程度上还决定了空间光通信系统的重量、体积以及系统制作的复杂程度。因此，开展对ATP技术的研究对实现空间光通信有着重要的现实意义。简单介绍ATP系统的典型结构，分析ATP系统瞄准误差的产生、计算以及ATP跟瞄精度对系统整体设计的影响，同时给出对ATP系统的部分仿真结果。     

全光纤光子集成器件及系统

本文对全光纤光子集成器件与系统进行了较为全面地综述。结合我们的工作 ,对目前的研究热点 :光纤光栅、光纤激光器、光纤放大器、光纤光栅分插器与传感器等诸多光子器件以及由这些器件组成的波分复用通信系统进行了介绍和评述。一些新成果和新进展表明 ,这些光子器件与系统在当今和未来的光通信中将发挥重要作用。     

"量身定做"单光子波包:在量子网络中控制光子/自旋量子界面

文章简要地介绍了如何在量子网络中控制量子界面动力学以实现静态量子比特和动态量子比特的相互转换．具体言之，该界面由半导体量子点、固体光学微腔以及光学波导管构成，静态及动态比特分别为量子点中的电子自旋和波导管中的单光子波包所携带．界面动力学的控制则是基于对量子点、微腔和波导管耦合系统的量子电动力学的严格求解．据此可实现网络中两个远距离节点间的量子态传输、交换以及确定性的建立量子纠缠等量子操作．上述量子界面亦可用于任意指定波形的单光子源或者单光子探测装置。