基于量子照明的导航测距方案

针对以往脉冲纠缠测距方案对光子损耗十分敏感的特点及量子干涉法测距中利用光路延迟测距时难以实现远距离传输的问题,利用量子压缩效应来提升时延估计精度,同时还提出一种基于量子照明原理的非经典纠缠导航测距方案,对目标存在的回波信号进行统计判断,从而确定距离参数。在相干探测的基础上,分别研究了相干态、热态和压缩态等3种高斯量子态的统计特性,并对量子照明测距方案中经典相干态与双模压缩真空态的信号检测性能进行了理论分析和数值模拟实验。结果表明,相较于传统测距方法,利用量子信号压缩和纠缠特性的方法能有效提高导航测距的距离分辨率,性能上优于经典方案,且在噪声光子数较多时具有更强的抗环境干扰能力。     

基于杂化纠缠量子信号的导航测角方案

传统的无线电导航技术将无法满足高精度测角需求,而量子纠缠信号优越的特性可以突破传统无线电导航所面临的技术壁垒,由此提出了一种基于腔电光力转换器制备的杂化纠缠量子信号的测角方案,通过理论分析和仿真,相比于传统测角方法充分利用了纠缠特性对测角信号进行判别,能有效区分有用信号与无关信号,精度上优于经典方案,且具有经典方案不具备的极强的抗干扰能力。     

双模压缩光量子测距方案

针对多光子纠缠测距方案量子态的产生和保持困难及量子关联测距中利用光路延迟法进行测距时量程有限的问题,设计了基于双模压缩态和平衡零拍探测的量子测距方案。利用双模压缩光束对应正交分量在同步时关联性最大的性质,对参考信号光电流进行时间延迟实现距离参数的测量,在双平衡零拍探测器对纠缠光束正交分量探测的基础上,分别提出了相关函数估计法、关联噪声估计法和关联矩阵分析法以实现量子测距的延迟时间估计,并进行了相应的理论证明和原理性仿真验证,结果表明,提出的量子测距方案是可行的。     

量子微波及其接收方法综述

量子微波兼具量子信号的量子特性以及微波频段信号的中远距离传播的能力,在通信、雷达、导航和定位等诸多方面具有广阔的应用前景。本文针对目前在量子微波接收方面的研究相对较少的现状,总结和分析了量子微波的特性及其接收方法。首先,介绍微波单光子、纠缠微波光子对以及压缩态和纠缠态微波场的特性和制备方法;然后,重点梳理和总结量子微波在量子雷达以及相关物理系统中的接收方法、检测方法、和研究现状;最后,指出量子微波接收技术中存在接收端探测信号较弱、微波频段量子纠缠态检测技术不够成熟,以及量子检测算符有待进一步最优化等问题。针对这些问题,梳理了几种降低接收端的噪声,提高探测信号的信噪比,以及基于纠缠见证的路径纠缠微波检测方案,从而完成了量子微波从制备到接收的一个完整链路的梳理工作,希望能为量子微波发射和接收系统技术的发展提供一些参考。     

量子微波制备方法与实验研究进展

量子微波信号既保留了经典微波信号的空间远距离传播能力,又具有非经典的量子特性,为微波频段量子通信、量子导航及量子雷达等基于大尺度动态空间环境无线传输的量子信息技术提供了可资利用的重要信号源.按照腔量子电动力学系统、超导电路量子电动力学系统和腔–光(电)–力学系统三大类型实验平台,归纳、分析了微波单光子、纠缠微波光子以及压缩微波场和纠缠微波场的产生原理、方法和相关典型实验的进展,并探讨了非经典微波场在量子导航等自由空间传输系统应用中需重点解决的若干关键问题.     

四组份不同频率连续变量纠缠态光场的产生

量子纠缠态是开展量子信息工作的核心资源。提出在一块光学超晶格中通过有注入信号的非简并光学参量振荡级联一个和频过程,可以产生不同频率的四组份连续变量纠缠态光场的可行实验方案。首先泵浦光和注入信号光通过差频过程产生闲置光。然后泵浦光和闲置光在同一块光学超晶格中通过级联和频过程产生和频光。根据多组份连续变量纠缠的判定方法,从理论上证明泵浦光、信号光、闲置光与和频光场之间的量子纠缠特性。四组份纠缠特性随泵浦功率的增大而减弱,另外选取较大的注入信号功率、级联非线性过程的耦合参数和泵浦光衰减常数可以得到较好的四组份纠缠光场。该实验方案只用到一块光学超晶格就可以产生四色连续变量纠缠态光场,实验装置简单。     

陆地量子移动通信最优纠缠多址中继方案

为了解决EPR纠缠通过大气空间在通信终端之间的分发问题,使量子移动用户之间及时建立纠缠,提出了一种新的陆地量子移动通信网络的量子纠缠多址中继方案和分区服务模型.分析比较了基于量子受控非门和极化分束器的两种纠缠纯化方法.结果表明:即使在量子移动终端之间没有共享EPR纠缠对的情况下,通过纠缠纯化和量子多址中继,仍然可以完成量子态的无线传输,并且其传输时延与所经过的链路距离和基站数目无关|因此,从数据传输时延的观点来看,该方案是最优的.本研究对于构建大规模量子移动通信网具有一定的奠基作用.     

基于M&M′态的量子照明目标探测

在目标回波光子仍为纯态的假设前提下,推导了MM′态的量子照明目标探测错误概率边界,并与非纠缠Fock态、NOON态进行了对比.仿真结果表明:MM′态相对于非纠缠Fock态的探测优势仅受限于信号与闲置光路间光子数的分配比例;这使得以MM′态作为光源的量子照明探测,能够在更大信噪比动态范围内(至少两倍于NOON态)获得优于非纠缠Fock态的目标探测性能.     

一种基于von Neumann熵的双路径纠缠量子微波信号生成质量评估方法

针对目前没有合适的方法从产生方来表征纠缠量子微波信号的质量好坏, 提出了一种基于von Neumann熵的双路径纠缠量子微波信号生成质量评估方法. 利用双模压缩真空态描述了纠缠量子微波的信号格式, 给出了光子数与压缩参量之间的函数关系, 以熵评估纠缠态信号所占比例, 分析了熵与压缩参量和光子数之间的关系. 仿真结果表明, 纠缠量子微波信号中的光子数是由压缩参量决定的, 它们之间呈指数平方的规律性变化; 熵随着压缩参量的增大而减小, 但是减小的趋势越来越平缓, 近似呈负指数关系, 熵的极限值约为65%. 研究结果表明, 通过选择合适的压缩参量可以提高纠缠微波信号生成质量以满足实际需要, 因此, 本研究对于生成双路径纠缠量子微波电路参数选择、提高系统可用性提供了方法和依据.     

陆地量子移动通信最优纠缠多址中继方案

为了解决EPR纠缠通过大气空间在通信终端之间的分发问题,使量子移动用户之间及时建立纠缠,提出了一种新的陆地量子移动通信网络的量子纠缠多址中继方案和分区服务模型.分析比较了基于量子受控非门和极化分束器的两种纠缠纯化方法.结果表明:即使在量子移动终端之间没有共享EPR纠缠对的情况下,通过纠缠纯化和量子多址中继,仍然可以完成...     

基于纠缠相干态的量子照明雷达

量子照明雷达旨在利用量子光场探测热噪声环境下低反射率目标是否存在.发射光源的纠缠特性使其较经典雷达具有独到的探测优势.纠缠相干态(entangled coherent state, ECS)作为一类在噪声环境下纠缠鲁棒性较强的量子态,近年来在量子科学的多个领域得到广泛的应用.本文研究了基于三类不同ECS态的量子照明雷达的目标探测性能,并以双模压缩态(two-mode squeezed vacuum state, TMSV)和相干态作为基准对比和分析了三类ECS态纠缠度大小与其探测性能之间的关系.研究发现:在目标为低反射率且发射光子数远小于背景噪声的情形下,三类ECS态的探测性能优于相干态,劣于TMSV态;此外,三类ECS态的探测性能可由其纠缠度的大小来决定.在其他照明条件下,使用量子照明雷达进行目标探测较相干态雷达并无明显的优势,三类ECS态的探测性能与TMSV态和相干态方案并无明显联系.     

六光子量子纠缠态的制备

我们提出了一个完全基于量子擦除概念上的六光子纠缠态的制备方案。首先，提出了利用一组四纠缠光子来制备六光子纠缠态的方案。接着，运用同样的技术，通过五粒子纠缠和Bell态的相互作用来制备六光子纠缠态。我们的实验方案可以应用于以测量为基础的量子计算和多体量子通信领域的研究。我们发现该方案成功的概率取决于纠缠态的系数。     

多个量子节点确定性纠缠的建立

量子纠缠是一种重要的量子资源,在多个空间分离的量子存储器间建立确定性的量子纠缠,然后在用户控制的时刻将所存储的量子纠缠转移到量子信道中进行信息的分发和传送,这对于实现量子信息网络是至关重要的.本文介绍了用光学参量放大器制备与铷原子D1吸收线对应的非经典光场,而且在三个空间分离的原子系综中确定性量子纠缠的产生、存储和转移.利用电磁感应透明光和原子相互作用的原理,将制备的多组分光场纠缠态模式映射到三个远距离的原子系综以建立原子自旋波之间的纠缠.然后,存储在原子系综中的纠缠态通过三个量子通道,纠缠态的量子噪声被转移到三束空间分离的正交纠缠光场.三束释放的光场间纠缠的存在验证了该系统具有保持多组分纠缠的能力.这个方案实现了三个量子节点间的纠缠,并且可以直接扩展到具有更多节点的量子网络,为未来实现大型量子网络通信奠定了基础.     

离子阱中以声子为媒介的多体量子纠缠与逻辑门

高保真度的多离子纠缠和量子逻辑门是离子阱量子计算的基础.在现有的方案中, M?lmer-S?rensen门是比较成熟的实现多离子纠缠和量子逻辑门的实验方案.近年来,还出现了通过设计超快激光脉冲序列,在Lamb-Dicke区域以外实现超快量子纠缠和量子逻辑门的方案.这些方案均借助离子链这一多体量子系统的声子能级来耦合离子之间的自旋状态,并且均通过调制激光脉冲或设计合适的脉冲序列解耦多运动模式,来提高纠缠门的保真度.本文从理论和实验层面分析了这些多体量子纠缠和量子逻辑门操作的关键技术,揭示了离子阱中利用激光场驱动离子链运动态,通过非平衡过程中的非线性相互作用,来实现量子逻辑门的基本物理过程.     

小世界网络中的量子纠缠渗流

本文研究了小世界复杂网络中的长程量子纠缠态的制备。提出了量子纠缠渗流优化网络量子通信的方案。通过在经典纠缠渗流协议(CEP)中引入局域化的"target-swap"量子操作,形成量子纠缠渗流协议(QEP)。研究表明QEP在长程纠缠制备的效能方面明显优于CEP,通过度分布变化的分析解释了QEP具有优势的原因。     

纠缠态量子探测系统的恒虚警检测方法研究

纠缠态量子探测是将量子力学与信息科学相结合,应用在目标探测领域的一种新技术,其在灵敏度、抗干扰能力等方面具有突破传统探测技术的潜力.在雷达探测领域,恒虚警检测是一项具有重要的意义和应用价值的技术.然而,对于纠缠态量子探测系统中恒虚警检测方法的研究还没有展开,本文针对这一问题,提出了一种纠缠态量子探测系统的恒虚警检测方法.该方法通过系统对噪声的实时估计,自适应调整检测门限,使得纠缠态量子探测系统在检测过程中始终保持恒定的虚警概率.仿真结果表明,所提恒虚警检测方法是正确和有效的,能够实现纠缠态量子探测系统的恒虚警检测功能.该方法提升了纠缠态量子探测系统的灵活性和适应性,为量子探测技术进一步走向实用及应用奠定了理论基础.     

纠缠微波信号的特性及表示方法

纠缠微波信号是电磁场微波频段量子特性的体现.在总结了现有纠缠微波信号产生及验证实验的基础上,针对目前没有统一的表达式来描述纠缠微波信号格式的问题,通过深入分析纠缠微波信号的特性,提出了两种纠缠微波信号的表示方法.一种是在量子框架下,利用双模压缩真空态表示,并分别在光子数表象下和Wigner分布下分析了其信号特征,刻画了正交分量之间的正反关联特性;另一种是在经典框架下,利用关联随机信号表示,刻画了测量后纠缠微波信号场幅度正交分量随时间变化的波形图.两种表示恰当合理地反映了纠缠微波信号连续变量纠缠的特性.     

一种对于接收者更优的三能级两粒子态控制隐形传态方案

建立了一个基于非最大纠缠量子信道的三能级两粒子的概率隐形传态的方案.在本方案中概率隐形传态的实现应用了新的正交完备测量基来代替传统的Bell基,我们用三能级量子纠缠态作为通道.这是和前人的隐传方案所不同的.我们所提出的方案对于接受者来说更加方便、简洁,使用者能够通过较少的操作来实现通信.     

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.     

电子自旋辅助实现光子偏振态的量子纠缠浓缩

量子纠缠浓缩可以将非最大的纠缠态转变为最大纠缠态,提高量子通信的安全性.本文基于圆偏振光和量子点-腔系统的相互作用,用一个单光子作为连接远距离纠缠光子对的桥梁,在理想条件下实现了光子偏振纠缠态的浓缩.计算结果显示,这个纠缠浓缩方案在考虑耦合强度和腔泄漏的情况下也可以保持较高的保真度,而且不需要知道部分纠缠态的初始信息,也不必重复执行纠缠浓缩过程.这不仅提高了量子纠缠浓缩的安全性,也有助于通过消耗最少的量子资源来实现高效的量子信息处理.