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.     

基于几率波探测下的量子雷达系统原理

从技术体制上划分,量子雷达分为有源量子雷达和无源量子雷达.根据探测波是实波还是几率波,有源量子雷达可分为实波量子雷达和几率波量子雷达.量子雷达还可分为线性量子雷达和非线性量子雷达.非线性量子雷达根据探测波采用纠缠光子和干涉几率波的不同而分为两种;还可进一步分为测回波和不测回波两种.利用几率波在空间的几率关联特性,通过对本地几率波的测量而获得空间的目标信息.为此我们将量子光栅与超导单光子探测器相结合,提出一种新型的、更高效的单光子检测器件,用于实现这种新型、不测回波信号的有源量子雷达.这一技术使量子雷达性能产生了巨大提升.     

单自旋量子精密测量——基于钻石量子传感器的微观磁共振

量子精密测量作为基于量子力学原理发展起来的精密测量技术,正成为各学科发展的重要推动力.此处所谓的单自旋量子精密测量一层含义是指以金刚石中的一类点缺陷——氮-空位色心单自旋为量子信息载体,通过光探测磁共振方式对其进行检测;另一层面是指通过微波射频的操控将氮-空位色心单自旋制备成量子传感器,实现高灵敏度高空间分辨率的微观磁共振,甚至可以达到对单电子/单核自旋检测的水平.这一技术用量子传感代替电学探测模式,将传统磁共振的检测能力在空间上从毫米推进到纳米尺度,分子数从数十亿推进到单个分子水平.基于氮-空位色心的量子精密测量技术仍处于快速发展阶段,其正在被应用于二维材料磁性研究、超导、单分子结构、单细胞磁检测等方向,有望为物理、化学、生命科学甚至医学等领域的发展提供重要支撑.本文首先介绍单自旋量子精密测量的基本概念和原理,接着着重介绍本课题组近年基于氮-空位色心的量子精密测量相关实验研究,包括单分子顺磁共振、纳米核磁共振、基础物理等方面的相关进展及未来研究展望.     

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.     

基于具有极化和空模自由度的单光子的量子加密量子对话

本文提出一种新颖的基于具有极化和空模自由度的单光子的抗信息泄露量子对话(Quantum Dialogue, QD)协议,利用量子加密技术克服信息泄露问题.本文协议利用量子加密技术和诱骗光子技术对用于编码两个通信者隐秘经典比特的双自由度单光子进行双重保护.为了避免信息泄露问题,用于编码的双自由度单光子的初始态通过量子密钥加密和解密被两个通信者共享.本文协议的信息论效率为40%.     

量子光学的群论方法

由于实验技术的发展,量子光学作为物理学的一个分支,在过去的几年内获得了迅速的发展。目前人们已经能够产生并探测单个光子,并且可以研究在超导谐振腔中的单个原子。现今,诸如冷离子、玻色-爱因斯坦凝聚物、量子信息及量子计算之类的量子光学应用推动了对量子系统聚合性的研究。     

空间目标单光子探测建模及实验验证

为了对空间单光子探测系统的科学设计和性能评估提供有效的指导, 我们针对空间目标单光子探测系统进行仿真建模, 分析并推导了激光回波功率和回波光子数公式, 利用所建立的模型对探测系统进行仿真,得到激光回波光子数模型仿真值; 通过具体的地面模拟实验对应用在空间目标探测中的单光子探测器（SPAD）进行定标后,得到定标性能曲线,再通过具体的室内目标探测实验得到激光回波光子数实验值。两者进行对比,结果表明,实验验证所建模型有效且可行。     

超导纳米线单光子探测器暗记数的来源与抑制

超导纳米线单光子探测器作为未来深空激光通信系统的核心设备之一,其暗记数率对通信误码率有十分重要的影响。本文论述了超导纳米线单光子探测器暗记数的来源于抑制方法,通过低温制冷与片上滤光技术、优化纳米线结构与选取合适偏置电流的方式分别降低背景与本征暗记数;对现有探测系统进行测试,得到了最优工作状态下的偏置电流为20.5μA,其探测效率为54%,暗记数率为195Hz。     

超导约瑟夫森结微波单光子量子态测量的研究

超导状态下用约瑟夫森结构成的微波单光子探测电路测量量子系统状态,定量分析并探讨约瑟夫森结的量子特征,作为一种新兴的固态量子位状态测量系统,对未来的量子信息理论与量子位的研究有着显著的帮助.     

太赫兹单光子雷达探测技术

太赫兹单光子雷达信号检测门限为单光子尺度,具有极低的噪声水平和极高的探测灵敏度,有望显著提升现有太赫兹雷达系统的作用距离.本文首先介绍了太赫兹单光子雷达探测技术提出的背景,系统阐述了其原理、特点以及现状,然后提出了直接探测与外差探测两种典型的系统实现方式,并给出了一种雷达系统设计思路,最后分析了当前太赫兹单光子雷达探测技术面临的关键问题,讨论了其在雷达增程、远程防空预警、反隐身等领域的潜在应用.研究成果有望为突破太赫兹雷达在探测能力与作用距离等方面的技术瓶颈提供一条可行的技术途径,并进一步推动太赫兹探测机理、方法、体制和器件的创新发展,最终为太赫兹技术在军事和民用领域的发展应用提供强大动力.     

联合噪声下的量子离物传态

提出了利用四光子纠缠态进行联合退相位噪声和联合转动噪声下的量子离物传态方案.信息态的发送者Alice,根据噪声的不同,制备不同的四光子纠缠态,并把其中两个光子发送给Bob,另两个光子保留.Alice对手中的信息态和其中一个保留态进行联合Bell基测量,从而把信息态的部分信息转移到了Bob手中的光子上,然后Alice和Bob再对相应的光子做单光子测量,Bob根据单光子测量结果对手中未做单光子测量的光子实施合适的酉算符操作,从而得到信息态,实现联合噪声下的量子离物传态.本方案牵涉到两方(Alice和Bob),可以推广到多方可控离物传态.另外方案中仅需要进行联合Bell基测量和单光子测量,在实验上具有可行性.     

高效实现针对光子丢失问题的容错量子计算

基于两个基本操作——控制路径操作和纠缠子,首先给出非破坏性多光子奇偶校验的实现.随后,将这些操作用于光学量子计算中光子丢失问题的处理.可以实现奇偶量子态的制备,以及单体操作与两体控制非操作,由此可以实现普适容错量子计算.不管是态制备还是门操作都是确定性的,同时方案的实现复杂度也要远低于此前的方案,对于辅助单光子资源的需求也降到很低的程度.并且实现过程中除奇偶校验外,不需要进行任何单光子探测,因此不会造成任何单光子的损失,最大限度地利用了光子资源.比之此前的线性光学方案,我们方案的确定性、高效性、简单性以及资源的高利用率等特点,使得方案更具可行性和更加适用于大规模量子计算.     

基于局域压缩量子剪切制备非高斯量子态及非经典性

光场量子态的制备和操控对于量子信息处理的发展具有非常重要的实际意义.将局域的压缩操作引入到量子剪切装置中,实现将输入相干态截断为真空光,单光子和双光子的叠加形式.利用平均光子数和Wigner函数,着重研究了输出态的非经典特性.在相同参数下,局域压缩参数的增加有利于平均光子数的提高以及Wigner函数负部体积的增大.此外...     

室温单分子光场的光子统计特性

介绍了三能级结构室温单分子光学探测的工作原理,利用Hanbury-Brown-Twiss探测方法研究通过记录两个单光子探测器响应的单分子光场的每一个事件,分析单事件的光子统计概率P(n,n=0、1、2)与Mandel参数.研究利用单事件光子统计直接测量单分子光子源的信号背景比和快速判断单分子.     

基于半导体量子点的量子通信

光子源和纠缠光子对的制备是量子信息产生和传输过程的源头,是实现量子通信的重要前提条件.半导体量子点固体系统具有可集成性和可扩展性的优点,并且与现有的半导体光电子学技术密切相关,近年来在单光子源和纠缠光子对制备方面取得了重要的进展,是未来全固态量子通信的重要元器件.从量子通信的基本原理出发,阐述了制备单光子源和纠缠光子对的重要性,介绍如何解析推导出圆形常规半导体量子点中的电子结构,描述了圆形拓扑绝缘体量子点中边缘态具有双重简并的电子结构,能级间隔与量子点的具体形状无关,并且具有自旋轨道锁定的特性,总结了实验和理论上在利用这一独特的电子结构制备单光子源和纠缠光子对方面取得的重要进展.     

论单光子研究

对单光子研究的历史情况和近年来的新成就作了介绍,指出对光子的正确认识必须以经典物理学及量子力学为基础.简述了单光子的产生与检测技术,讨论了与单光子有关的新实验.例如由于量子纠缠,一个光子可以瞬时地影响另一光子的特性.不久前的D.Salart等人的实验说明了这个"瞬时地"究竟有多快--这是一种超光速现象.     

红外光电子学中的新族——量子阱红外探测器

回顾了近10年基于半导体中量子限制效应红外探测器的进展．主要关注的是二维限制结构,即量子阱结构,形成的区别与传统红外光子探测的子带跃迁机理．在红外光电子领域作为新族的量子阱红外探测器（quantum well infrared photo-detector,QWIP）与最典型的红外探测器代表碲镉汞红外探测器进行了各自特色的分析,包括基本工作机理和材料与器件的制备技术等方面．对于QWIP发展的回顾提升了与碲镉汞红外探测器之间的互补关系．也给出了对于QWIP在未来发展方面的基本趋势．     

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。     

新型低维结构锑化物红外探测器的研究与挑战

红外光电探测器已经历了半个多世纪的发展,先后出现了机械扫描式单元及线列探测器和凝视型红外焦平面探测器两代探测器技术,并形成了一个庞大的红外探测器器件家族.近年来人们逐渐提出了以高探测率、大面阵、低成本、多光谱为技术特点的第三代红外探测器概念.锑化物红外探测材料以其具备的优越光电性能:量子效率高,暗电流小,微带带隙可调,均匀性高、成本低等,成为第三代红外焦平面探测器的最优选材料.本文回顾了近年来国内外第三代红外探测器材料与器件的研究发展历程,重点阐明了锑化物II类超晶格红外探测材料在技术上的优势及其国内外发展现状.通过分析个多个重点研究机构的技术发展历程,阐明了锑化物材料与器件研究的发展趋势,面临的挑战以及今后数年内该领域的研究重点.     

量子密钥分发系统中增益开关半导体激光器的时间抖动分析

.针对量子密钥分发系统中用于产生微弱激光脉冲的增益开关半导体激光器存在时间抖动较大的问题,首先建立了单光子探测的概率分布与光脉冲的能量分布的对应关系,采用速率方程和数值计算方法研究了时间抖动对增大单光子丢失概率的直接作用以及随激光器偏置电流变化的关系,并从降低时间抖动和减少单光子丢失概率的角度给出了合适的偏置条件.