量子通信现状与展望

本文综述量子通信基本原理、方法、技术手段与应用.介绍量子保密通信基本协议和诱骗态方法,以及基于纠缠分发的量子通信,含基于纠缠光子对的量子保密通信、量子态隐性传输、纠缠光子对操控等.介绍量子通信的技术与应用现状并对未来发展方向做展望.     

量子关联及其应用

量子关联是量子系统具有的一种重要的非经典性质,被普遍研究的量子纠缠就是量子信息处理中重要的量子关联.随着研究的深入,最近发现了很多不需要纠缠的非经典现象在量子信息中扮演了关键角色.文章介绍了基于量子失协及其相关的非经典量子关联,讨论了各种量子关联在量子信息模型中各种物理解释与应用.     

基于室温单自旋磁共振技术的量子精密测量

实现深及单个量子系统的测量技术,能够揭示出在传统宏观测量中被系综统计所平均掉的独特的个体信息.金刚石中的氮–空位色心(NV色心)在室温下具有超长的相干时间,并可以通过光探测磁共振的方式进行单量子体系的操控和读出,已经成为实现量子精密测量和量子信息处理的重要平台.尤其在测磁学方面,朝向单分子成像的研究正在全力进行.本文回顾了基于NV色心的量子精密测量研究,介绍了其在测量磁场、电场、力学系统、温度等方面的相关进展,讨论了本领域今后可能的发展方向.     

基于半导体量子点的单光子源:原理、实现和前景

确定性和高度不可分辨的单光子源是实现线性光学量子计算和固态量子网络的重要前提条件.半导体自组装量子点,具有良好的稳定性,易于集成于高品质因子的纳米微腔中,可获得超高亮度的单光子源.同时量子点可以作为光子—自旋比特的接口,可扩展的量子网络的结点.近年来共振激发技术的发展以及微腔加工技术的进步大大地提高了半导体量子点单光子源的品质,而成熟的半导体技术为这种单光子源的实用化奠定了基础.本文首先介绍单光子源的产生原理、性质以及在量子信息量子计算等领域的应用,然后介绍基于半导体量子点单光子源的技术发展和微腔量子点的进展.最后,讨论量子点单光子源未来的发展趋势.     

超导纳米线单光子探测技术进展

超导纳米线单光子探测技术自2001年出现以来,已经成为超导电子学领域的一个热点研究方向.作为一种新型的单光子探测技术,其具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、计数率高、响应频谱宽、电路简单等优势,综合性能在近红外波段已经明显超越传统的半导体探测技术,成为一种主流的单光子探测技术.本文从应用基础角度出发,对超导纳米线单光子探测器件的材料、器件工艺、性能、系统集成以及前沿应用等进行介绍,并对国际上该领域研究未来的发展趋势进行探讨.     

迈向原子时间分辨的时间放大技术

如何观测碰撞类过程、爆轰类过程、高电压放电类过程, 如何观测和研究固体中声子和激子的衰变和迁移、光合作用的原初反应过程、原子壳层内的电子动力学行为, 这需要研究时间放大的理论和技术. 本文在短时间放大技术的基础上, 重点研究原子时间的光信息放大机理和极高速成像技术. 变像管极高速成像的时间分辨率已达亚皮秒量级（扫描型）, 成像频率已达 6×108~5×109 fps （分幅型）; 非管极高速成像能达到107~1014 fps的成像频率, 其高速形成机理涉及到利用光的速度、光的并行性, 利用光的振幅、位相、偏振、波长, 甚至要利用光子的量子特性; 电磁波和粒子波的级联系统里能够同时实现极高的时间分辨率和空间分辨率, 能突破光频波段海森堡测不准关系的制约.     

精密测量中的量子极限

给定一个物理装置,对于一个物理可观察量能够得到的测量精度是什么?为了回答这一问题,本文以最近量子精密测量的发展为主线,量子参数估值方法为核心,介绍单粒子(线性耦合)体系和多粒子(非线性耦合)体系物理量测量精度的量子限制.作为例子,对光学量子精密测量中如何突破标准量子极限,甚至海森堡极限做了简明阐述.特别总结了非线性精密测量在突破海森堡极限方面的最新进展.最后,探讨了量子精密测量未来发展的可能趋势.     

光和物质间的首次量子隐形传送

量子隐形传送的概念一以无实体的传输方式把量子系统的状态输送到其它地方一首次在两个不同光束间的传输实验中得到了实现。后来将一个选定离子的特性传输给另一个相同类离子也变得可能。以马普学会教授Ignacio Cirac和哥本哈根NielsBohr学院教授Eugene Polzik为首的科学家团队证明了光脉冲的量子态也能被传输到宏观物体上。这是在不同状态物体间进行的首次成功的量子隐形传送一动态的光和静念的原子之间。这种成功的结果不仅是基础理论研究,而且最根本的是在量子计算机或代码数据传输(量子加密)领域具有现实应用的意义。自从上世纪90年…     

基于内乘波概念的三维变截面高超声速进气道

提出并命名了高超声速三维变截面内乘波式进气道,其进、出口截面形状同时可控,且能够全流量捕获来流;分析了高超声速进气道的流线追踪设计方法与外流乘波体设计方法间存在的联系;根据内收缩基本流场的特点,从理论上证明吻切锥理论不适用于内乘波式进气道设计,而吻切轴对称理论则可以运用于变截面内乘波式进气道设计.在此基础上,提出了变截面内乘波式进气道的两类具体设计方法.采用这两类方法,获得了三角形进口到椭圆出口和方形进口到椭圆出口的变截面内乘波式进气道方案.计算结果证实,变截面内乘波式进气道设计理论可以在实现截面形状三维复杂过渡的同时,保证进气道内部激波形状和主要流动特征仍与设计基本流场一致,进气道初始激波贴口,实现内乘波,全流量捕获来流.该设计理论为复杂外形的三维高超声速进气道设计提供了思路,但此类进气道在设计和非设计状态下的具体流动特征及工作特性都还有待进一步研究.     

原子尺度多重序参量的协同测量与关联特性研究

朗道于1937年将物质的相变和对称性相关联,并提出了物质中的序参量的概念.随着功能材料的研发进展、"量子材料"概念的诞生,与点阵密切关联的电、磁、光等性能均可以在人为调控手段下发生变化,唤起了人们对"序参量"称呼的眷爱.当体系中同时存在多种序参量且多种序参量之间存在强烈的关联作用时,往往会催生许多新奇的物理现象.对一体系在原子尺度上的多种序参量(如点阵、电荷、自旋、轨道、拓扑)的协同测量和关联特性的研究将会有力地促进人们对新型功能材料中各种耦合作用的理解,促进这类材料的研发和应用.本文将简单介绍原子尺度序参量概念的由来,并主要以本研究组的一些工作为例,阐述如何应用和发展先进电子显微学和相关技术实现原子尺度的多种序参量协同测量和关联特性的研究.     

改进的三维全矢量有限差分虚位移束传播法

提出了一种改进的三维全矢量有限差分虚位移束传播法，用以分析光波导承载的全矢量本征模．在纵向（z向）离散上，第一个子步采用半矢量公式，而第二个子步采用全矢量公式，但交叉项双倍计算．每个横向电场分量在两个子步中的次序交换，交叉项用隐式形式表示，计算效率高且稳定．在横向x和y向）离散上，基于多项式插值法，建立了一种统一的差分格式，考虑了电场法向分量在芯包分界处的不连续性，可应用于均匀和非均匀网格，差分系数引入了更多邻近节点的折射率分布，且交叉项采用六点差分格式，计算精度高，程序通用性强．首先分析了高折射率分布差的矩形、GaAs／GaAlAs双异质结脊形光波导，给出了全矢量基模及次高阶模（矩形波导）的电场分布及其归一化传播常数，揭示了全矢量本征模的混合特性，验证了该方法的有效性．接着分析了InP基InGaAsP／hGaAsP应变多量子阱脊形光波导，考虑了深刻蚀和浅刻蚀两种情形，讨论了其全矢量基模的模式特性，为设计以此为基础的光子集成回路奠定基础．     

面向原子级表面制造的等离子体诱导原子选择刻蚀技术

制造正从以经验技能为基础的制造Ⅰ和以经典理论为基础的制造Ⅱ迈向以量子理论为基础的制造Ⅲ.尽管制造的这三个范式出现在不同历史阶段,但它们将并存,甚至在未来可遇见的时期内,制造Ⅱ还依然起主导作用.其中制造Ⅲ的核心领域将是原子及近原子尺度制造(ACSM),涵盖制造的精度、结构尺寸及材料去除、迁移、增加的尺度.原子级的表面制造是ACSM发展的一个重要领域.本文将介绍一种基于等离子体诱导原子选择刻蚀原理(plasma-induced atom-selective etching, PASE)的原子级表面制造技术.晶体表面不同成键状态的原子在等离子体刻蚀反应中具有不同的反应优先等级,而这种反应优先级的调控可通过改变等离子体活性粒子成分、浓度、温度等来实现.因而, PASE技术可以选择性去除材料表面的多余原子,并最终实现原子级表面的创成. PASE技术已成功应用于Si, SiC, Al₂O₃等硬脆单晶材料的抛光,采用CF₄-O₂等离子体,可直接实现上述材料研磨表面(S_a>100 nm)...     

热释电光电子学效应

光探测器作为一种将光能转换为电能的电子器件,在军事医疗、遥感通信等方面被广泛地应用.当半导体材料中同时产生光电和热释电时,器件的输出电流及光照时的光响应度,探测率等性能有明显的提升.因此,基于热释电-光伏-半导体三者协同耦合产生的热释电光电子学效应被作为提升光电器件性能的一种有效手段,被应用在多个领域.当器件被光照射时,光感应产生的热释电势对器件接触界面的内建电场进行调制,从而改变载流子的传输过程,而不同类型的材料与半导体接触时形成的内建电场和热释电电势各不相同,因此产生的热释电光电子学效应也存在差异.本文首先介绍了热释电光电子学效应的原理,然后研究了不同类型的材料与半导体接触时产生的热释电光电子学效应对器件电学性能的影响,具体包括半导体与半导体、半导体与金属、半导体与有机物以及半导体与氧化物接触;此外,对提升热释电光电子学效应的方法进行了介绍,包括压电-热释电-光电、铁电-热释电-光电等多物理场协同作用,以及对材料进行掺杂等方法;最后对热释电光电子学效应面临的挑战及在未来的发展作了进一步的展望.     

光悬浮微粒子旋转特性研究

悬浮光机械系统将微粒子悬浮在空中,较好地隔绝了环境噪声,在诸多精密测量及量子科学领域都发挥着重要作用.利用圆偏振激光驱动微粒子自旋,可以进行扭矩测量、气体辨识及真空摩擦等方面的研究.本文基于光悬浮微粒子旋转动力学模型,搭建了真空光悬浮及旋转实验装置,对悬浮粒子的平均转速和转速波动进行了研究.结果表明,影响光力矩的激光功率越强,激光偏振态越接近圆偏振光,粒子的平均转速则越大.但影响粒子平均转速的主要因素是阻尼力矩,通过降低环境气压以减小粒子的旋转阻尼,其平均转速可大幅提升.通过调控这些实验参数,约4μm直径的球霰石微球在环境气压为0.1 Pa时被驱动至3.93 MHz转速.但在低气压环境下,微粒子的热运动也变得明显,从而导致悬浮粒子的等效激光功率随着热运动而变化,进而使得粒子的转速波动也随着气压的下降而增大.本文首创性地对比了相同气压不同转速下的转速波动,进一步说明了粒子热运动对转速波动的影响规律.此外,本文还研究了不同气压下转速相对波动的变化规律,这为光悬浮转子在陀螺仪领域的潜在应用奠定了基础.这些研究结果对于提升光悬浮系统已有应用以及开拓新领域均有重要意义.     

高出光品质LED封装:现状及进展

发光二极管(light-emitting diode,LED)具有电光转换效率高、节能环保、体积小等优点,被誉为21世纪绿色照明光源.随着LED在越来越多的照明场合的应用推广和人们对于光源质量的要求的提高,LED出光品质越来越被重视.评价LED出光品质的指标主要有效率、空间颜色均匀性和显色指数,这些参数和LED封装密切相关.LED封装是将芯片和其他封装材料集成在一起形成最终的照明产品,起着机械保护、外部信号和电连接、散热和光学参数调控等关键性功能.本文从封装的角度,对LED的效率、空间颜色均匀性和显色指数的调控技术进行了系统阐述.具体到封装中的关键技术,主要包含以下3方面:(1)热设计.LED在工作过程中约有60%的输入电能被转化为热量,如果产生的热量不能及时有效地散到环境中,将会造成LED的温度急剧升高,导致LED的效率下降并带来可靠性问题.(2)光学设计.LED的光从芯片有源层中通过电子-空穴复合的方式产生后,在经过芯片、荧光粉、封装胶和透镜等材料后,由于散射和折射等作用,光的传播方向和路径会发生改变.此外由于吸收作用,部分的光被吸收并转换成热量.因此通过光学设计不仅可以调控LED光源能量分布,还可以减少光在封装材料中的吸收从而提高光效.(3)荧光粉涂覆.相比于多色发光LED芯片组合获得期望出光品质LED的封装形式,将单色或者多色荧光粉涂覆在单色LED芯片上的封装形式具有更强的相关色温可调性和工艺灵活性而被广泛应用于LED工业生产中.对于荧光粉结合芯片的白光LED封装形式,荧光粉涂覆起着调控空间颜色均匀性和显色指数的关键作用.     

基于无掩模光刻的生物透镜阵列组装方法

在微纳光学领域,透明的介质微球和活体生物细胞都因具备光学成像能力,而受到研究者越来越多的关注.然而,由于其尺寸和生物活性限制,很难将它们直接集成到光学系统上.基于光镊、声镊等多物理场方法虽然可以操作微球和细胞用于成像,但是对成像样本往往有特殊的要求.为此,本文提出了基于无掩模光刻的微球/细胞透镜阵列模块制备方法.利用自然沉降原理,分别将SiO₂微球和MCF-7细胞组装在水凝胶微孔阵列模块上形成微透镜阵列.实验和仿真结果表明,嵌入在水凝胶中的SiO₂微球阵列仍然保持其超分辨成像能力, MCF-7细胞可实现图像的放大.由于是阵列化成像,因此能够获得比单个微球或细胞更大的观测视野.本文所提出的模块化成像方法,有望应用于生物光子器件及在体光学成像领域.     

机械式低频天线机理及其关键技术研究

不同于依靠导体中振荡电流激励电磁波的传统电小天线(electronically small antenna, ESA),机械天线(mechanical antenna, MA)是利用机械运动的电荷或磁矩直接激励电磁波的一种新型低频电磁发信技术.该技术有望突破ESA的物理尺度限制,有利于解决现有系统天线体积庞大、设备复杂、辐射效率低、发射功率和能耗大等问题,以提高低频通信应用的机动性和灵活性,在水下和地下通信以及导航定位等领域具有广泛的应用前景,已成为当前国内外相关领域的研究热点.本文介绍了MA的基本概念与研究动态,重点研究了MA的实现形式、物理模型以及在自由空间产生时变电磁场的分布模型与衰减特性,对比了不同类型MA的性能特点及应用优势,提出了MA的基本架构,探讨了实现高效应用急需解决的关键技术问题与挑战,并对其应用模式和应用前景进行了展望.基于提出的MA架构,研制了基于钕铁硼永磁体和高速永磁伺服电机的旋转永磁式MA原理样机,通过近场测试初步验证了旋转永磁式MA的时变磁场分布特性,及其实现FSK调制的可行性和有效性.     

基于热吸收分布的热声成像方法研究

注入电流式热声成像是一种电磁场与声场耦合新型成像技术,融合了传统电阻抗成像高对比度和超声成像高分辨率的优势,具有早期诊断的潜力.为了验证该方法在复杂生物组织结构中应用的可行性,本文分析了注入电流式热声成像方法基本理论,将脉冲激励电流注入目标体,在目标体中产生焦耳热,引起热膨胀激发超声波;将热吸收作为热声源,以低电导率的椭圆和长方形目标体为几何模型,进行电磁场和声场耦合分析,得到声源及声压分布;同时,搭建了成像系统实验平台,分别采用不同厚度猪骨质和模拟生物软组织的1 S/m低电导率仿体、新鲜猪肝离体组织嵌入0.5 S/m仿体,将脉宽0.8μs的脉冲激励电流源注入仿体,开展热声实验研究.采用1 MHz中心频率的超声换能器进行声压信号的检测,得到目标体的声压信号及猪肝仿体的B扫图像.研究结果表明:较薄较软的骨头遮挡实验所检测到的声压信号并无明显衰减,尽管硬骨对声信号起到了一定的衰减作用,但依然可以得到较清晰的声压信号,且声压波形均可反映凝胶仿体电导率变化的位置;猪肝仿体实验结果验证了该方法可反映低电导率生物组织电导率变化.该研究证实了该方法用于复杂生物组织成像的可行性,为推动多物理场耦合成像技术应用于人体疾病诊断提供了依据.     

多铁性材料研究进展及发展方向

多铁性材料同时具有铁电、(反)铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序,并且由于多种序参量之间的相互耦合作用而产生新的效应.这类功能材料在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储与处理等领域展现出巨大的应用前景.同时,多铁性耦合的物理内涵涉及到电荷、自旋、轨道、晶格等凝聚态物理多个范畴,已成为国际上一个新的前沿研究领域.本文回顾了多铁性材料的研究历史,分别就单相多铁性和复合多铁性材料的主要研究趋势做了系统性总结,尤其就目前有待解决的关键科学问题、未来发展方向等进行了讨论和展望.     

纳米发电机应用:自驱动系统

智能传感是未来数字社会和智能社会的基础.然而,如何给数量庞大、分布广泛的各类传感节点提供持续的电源供给是一项巨大的挑战.摩擦纳米发电机(TENG)是近年来兴起的一种新型的机械能量收集技术,可以有效地将低频、低幅的机械能量转换为电能,一方面可以实现自主的、自驱动的机械信号传感;另一方面可以与能量存储器件集成,实现自充电的电源系统.同时,由于TENG在材料选择和结构设计上的多样性,适宜的应用场景非常广泛.因此,本文系统介绍TENG在自驱动系统方面的应用研究进展,主要包括自驱动传感和自充电系统两方面的典型研究工作,最后分析展望了现有研究的挑战和未来的潜在方向.