关联成像及其应用研究进展

关联成像源于物理学领域的2个具有里程碑意义的事件:一个是20世纪初爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬(EPR佯谬)引发的量子非局域性的讨论,另一个是20世纪50年代美国科学家Hanbury Brown和Twiss实验(HBT实验)引发的对光场高阶干涉机理的探索.从20世纪90年代中期因有学者预言"鬼衍射"这一违反直觉和经验的现象而引起学界的广泛兴趣开始,到现今进入实际应用领域,中间已经过四分之一世纪的研究历史.从关联成像的历史起源开始,回顾它的发展历程,介绍其在光学相干和偏振领域、单像素成像、物体的复值获取、超越经典分辨率、X射线衍射成像、激光雷达领域,以及大气湍流环境下的应用,简述关联成像带给这些领域的突破和进展.     

基于量子点-双边光学腔的两自由度并行非定域Toffoli门远程实现

三量子比特Toffoli门非定域远程实现在量子通讯网络、分布式量子计算中有重要应用.已有的Toffoli门非定域远程实现方案大都基于量子系统单一自由度,本文提出超纠缠信道下基于量子点-双边光学腔的两自由度并行非定域Toffoli门远程实现方案.通讯方Alice, Bob使手中光子依次进入量子点-双边光学腔,对光学腔中电子以及纠缠光子执行单粒子测量; Charlie依据纠缠光子单粒子测量结果,执行相应局域幺正操作和极化、路径自由度单粒子测量. Alice和Bob依据单粒子测量结果执行相应局域幺正变换即可完成两自由度并行非定域Toffoli门远程实现.方案以极化、路径两自由度超纠缠光子为量子纠缠信道,具有信道容量高、并行性强的优点.     

无透镜鬼成像关联参数优化

为提升无透镜鬼成像的成像质量,构建了基于赝热光源的无透镜二阶鬼成像实验系统。分析了关联计算次数、物臂探测器尺寸和两臂偏离量等参数对无透镜鬼成像质量的影响,并通过信噪比和均方误差对重构图像的成像质量进行了定量评估。研究结果表明:当关联计算次数大于2 000次时,继续增大关联计算次数不能明显提升成像质量。为了保证鬼成像重构图像质量,物臂探测器面积应小于1 640μm~2,参考臂和物臂的偏离量应小于10 cm。     

基于 Λ 型原子的纠缠态融合研究综述

量子纠缠描述2个或多个系统间非局域、非经典的关联.由于多粒子纠缠态的量子非局域性比2粒子纠缠态的强,因此其在量子信息中应用更广泛.在Λ型3能级原子中,处于低能态原子的自发辐射能有效抑制,因此可将量子信息编码在Λ型3能级原子的2个基态上.该文介绍纠缠态融合的概念,综述基于融合机制制备Λ型3能级原子纠缠态的几种方案,最后给出总结与展望.     

中红外波段量子光源的研究进展

中红外波段的高质量量子光源对于下一代量子传感、量子成像和量子通信具有重要意义,已成为量子研究的热点.首先,概述研究中红外波段量子光源的意义;然后,综述中红外波段单光子源和纠缠光源的研究进展;最后,对该领域未来发展方向进行探讨.     

基于波段可调关联光子源的量子效率测量系统研究

随着单光子探测器应用领域的拓展,其覆盖波段不断增加,为满足不同波段探测器量子效率定标的需求,研究基于波段可调关联光子源的量子效率测量系统意义重大。设计了角度相位匹配的波段可调关联光子源,计算了多波段晶体的相位匹配曲线,搭建了光源系统及符合测量平台。测量了参考通道和符合通道的光子数,分析实验数据,完成了信号光通道探测器量子效率的测量。单光子探测器在1550 nm波段的量子效率为9.42%,与出厂数据在相应波长处量子效率偏差为0.58%,验证了方法的可行性,为进一步发展高精度的多波段量子效率测量系统奠定了基础。     

非对称偏振三维纠缠态的预警制备

在量子信息处理过程中,量子纠缠态扮演着极为重要的角色,其特殊的物理性质,使得量子信息具有经典信息所没有的许多新的特征,为信息传输和信息处理提供了新的物理资源.针对非对称偏振三维纠缠态的制备,基于交叉相位调制技术,以纠缠光子对和两个单光子比特作为初态,通过单光子与相干光的相互作用以及双光子干涉来实现.如果通过三个非计数单光子探测器来预警制备三维最大纠缠态,其概率为3/64.而如果采用特殊的分段式光子探测器,其概率可以提高到3/8,达到理论极限值.该方案在理论上是可行的,效率相对较高,而且预警式的制备为其后续在量子信息过程中的使用提供了很大的灵活性.     

量子关联研究综述

由EPR佯谬,薛定谔“猫态”等超越直观的纯量子现象产生的量子纠缠理论从其概念提出以来一直被人们认为既是量子理论最为重要的概念之一,也是在量子通讯中实现“稠密编码”和“隐形传态”的关键。然而,最近研究结果显示,量子纠缠并不能够完全解释量子关联所有特性。人们发现,除了纠缠以外,还存在对量子信息和量子计算具有极其重要意义的其它非经典关联,如量子失协是一个纯量子比特确定性量子计算机具有计算效率的原因。这说明,量子失协完全可以成为量子计算新的一种资源。文章介绍了非经典关联（包括量子纠缠）的基本概念及其度量方法,对量子失协在各类模型中表现出的量子关联特性进行分析和与量子纠缠,经典关联比较,从而体现出在各类量子体系中对量子失协进行研究的意义,同时引导理论和实验研究者去研究量子失协的潜在研究价值。     

红外单光子探测器定标方法研究

紫外激光器输出的355 nm激光泵浦BBO晶体,采用晶体的I类相位匹配,利用晶体的角度调谐特性得到的红外波段光源应用于单光子探测器定标,提出了利用参量下转换产生的纠缠光子对定标SPCM单光子探测器量子效率的方法,介绍了实验原理和定标装置。     

量子态的非局域关联性

在普遍的两个自旋1/2粒子量子态下证明了局域实在论与量子力学是不相容的,推广了Hardy在两个粒子非最大纠缠态下关于Bell 定理的证明.通过纠缠态下广义量子不可克隆定理中的正交条件的转移证明了量子力学非局域关联性.     

可控的量子密集编码

提出了一种利用三粒子非最大纠缠态作为量子信道的可控的概率密集编码方案.第3方通过局域测量控制着量子信道.通过引入辅助粒子和做适当的幺正变换,就能以一定概率实现量子密集编码.     

分层采油量子纠缠超距感应及哲学涵义

油层平面及纵向的非均质多层合采存在层间干扰,按照量子纠缠态形象地刻画纵向上任意两油层的基本族性具有波粒二象性,是波的函数,构建了任意两油层"油粒子"量子纠缠态的概率传送;关联"油粒子"的宏观和微观行为,任意油层的量子纠缠对其拥有的量子比特进行密钥传输操作,实现分层采油油层间所包粒子从一处向另一处的瞬间跨越的超距感应。从哲学的角度探讨了这一问题。     

用单一光源标定光子计数探测器

光子计数探测器在X光能谱CT成像中应用越来越广泛。受到脉冲堆叠、电荷共享等物理作用的影响,目前的光子计数探测器的能量标定方法具有一定的局限性。该文提出了一种只用一个单能光源对探测器进行标定的方法,通过充分挖掘及利用有限的数据,运用迭代的方法,最终确定探测器各阈值所对应的能量。该方法不仅实验量小,操作简单,标定结果较准确,还考虑了对小像素探测器标定有较大影响的电荷共享问题,且具有普适性,对其他光子计数探测器的标定也有一定的帮助。     

海森堡模型中的对纠缠和局域极化

通过研究有限位的海森堡XX模型的基态,讨论了对纠缠和局域极化的一些性质．结果表明：基态是由具有最小总自旋0（偶量子位）或1/2（奇量子位）的微观态所组成,局域极化和微观态在基态中所占的比率密切相关,比率越小的局域极化越强,比率相同的则局域极化也相同：基态的对纠缠是所有本征态中最大的．当量子位比较小的时候,态的简并将会减小对纠缠,量子位的奇偶性对对纠缠有很大的影响;随着量子位的增加,位数对对纠缠的影响越来越小,奇数位链的对纠缠极限约是0．3412,偶数位链的对纠缠极限约是0．3491．     

太赫兹单光子探测器

太赫兹波探测技术在天文、国防、安检以及生物等领域发挥着越来越重要的作用.随着技术的发展,太赫兹探测器的灵敏度在不断提高,目前已经发展到单光子探测水平.在太赫兹频段,由于光子能量低,传输损耗较大,太赫兹单光子探测器的研制开发面临极大的技术挑战.本文首先介绍了太赫兹单光子探测器的基本原理、主要指标和测试系统并提出了实现太赫兹单光子探测的基本要求.然后,介绍了几种常见的太赫兹单光子探测器,包括半导体量子点探测器、量子阱探测器以及超导量子电容探测器,并对这些器件的发展历史、工作原理和性能指标进行了概述.半导体量子点探测器以及量子阱探测器可以实现10-21W/Hz1/2量级的噪声等效功率,并且具有很大的电流响应以及动态范围,但是其量子效率较低.超导量子电容探测器目前已实现1.5 THz的单光子探测,其噪声等效功率优于10~(-20)W/Hz~(1/2)并且探测效率可达90%.此外,纳米测热辐射计等太赫兹探测器也展现了太赫兹单光子探测的前景,本文对其工作原理和发展现状进行了介绍.结合目前国际上的重大研究项目以及报道的应用实例分析了太赫兹单光子探测器在太赫兹成像、天文观测、量子信息等领域的应用前景,阐述了太赫兹单光子探测器在这些应用中的优势.最后,对太赫兹单光子探测器的性能指标进行了总结并对未来的发展趋势进行了展望.     

量子光源综述

量子密码通信是最近二十多年发展起来的一种新型通信技术,它利用量子特性来实现或增强通信的安全性。量子保密通信系统基于光量子信号的传输特性,因此如何获得稳定可靠的量子光源就成为实现量子保密通信的主要问题。文中介绍了量子通信中已有的几种光源(单光子光源、连续变量光源、纠缠态光源)的原理和相关实验,最后介绍了量子光源的应用,并对其前景进行了展望。     

基于PPLN晶体的单光子探测器定标研究

从光学二次谐波入手分析影响转换效率的主要因素,引出相位匹配条件,从而提出基于周期极化晶体的准相位匹配,研究周期调谐、温度调谐等多种调谐方式来调控输出光的波长,有利于纠缠源在更宽光谱范围内得以应用。通过532nm的连续激光器泵浦周期性极化的掺镁铌酸锂晶体,采用e→e+e相位匹配,利用了介质的最大非线性系数d_(33),通过周期调谐方式,在满足准相位匹配的模式下制备出高质量的纠缠光源,叙述了探测器量子效率的定标原理,提出了一种基于高亮度纠缠源的单光子探测器量子效率定标系统,为高精度量子效率定标奠定了良好的基础。     

中国科大实现原子和分子间的量子纠缠

正量子纠缠是微观粒子的一种物理特性,一旦2个微观粒子发生纠缠,哪怕相距遥远,也能产生某种状态上的关联。量子纠缠的技术应用方向是量子计算机和量子通信。目前,原子与原子、电子与电子、光子与光子间的"同类量子纠缠"技术比较成熟,但不同粒子间的"跨界纠缠"还有很大拓展空间。2020年5月,中国科学     

量子系统自测试研究

量子系统自测试研究如何利用量子系统本身来测试其可信性,即根据量子设备的经典输入输出之间的统计关系来确认设备中所制备的量子态和所执行的量子测量.在经典世界中,要实现这种"设备自己测试自己"的目标并不可行,但量子力学中的非局域性却使这种自测试成为可能.量子系统自测试是设备无关量子密码协议的理论基础.综述了量子系统自测试领域的研究进展.具体来说,首先详细介绍了由两粒子最大纠缠态(即单态)及相应量子测量所构成的两方量子系统的自测试,包括测试1对量子态的CHSH方案、Mayers-Yao方案、(2,2,2,2)通用方案、(N,N,2,2)链式Bell方案,和测试2对量子态的双CHSH方案、魔方方案等.在此基础上,简要介绍了两方部分纠缠态及多方量子系统的自测试方案.最后对量子系统自测试未来的发展进行了展望.     

高维集成光量子技术

光量子系统在量子技术中的作用至关重要，伴随光子集成技术的发展，光量子集成被认为是推进量子信息技术的重要途径.同时，量子纠缠是量子信息处理中重要的物理资源，其中高维纠缠的量子系统与二维系统比较，具有更为独特的优势.然而，随着维度的增加，高维量子纠缠态的产生和操控也面临挑战.综述近年来高维集成量子技术的相关研究，先回顾不同自由度片上高维纠缠态制备方案，再从量子光源、可重构量子调控、前沿量子信息应用等三个方面分别进行分析和总结.在量子光源方面，重点对产生非线性效应、光源结构和产生纠缠方式进行说明，并对其适用性和优势进行分析；在可重构量子调控中，针对基本操控单元、通用操控线路和结构改进三个方面进行综述，阐述面临的困难和目前的解决思路；最后，对集成高维光量子纠缠态在各个领域的应用场景进行归纳，并对未来的发展做出展望.