超短脉冲抽运下频率一致纠缠光源量子特性实验研究

利用自发参量下转换过程产生的频率纠缠光源在量子信息处理及相关领域中 具有十分重要的应用. 本文利用中心波长为792 nm, 脉冲宽度小于20 fs的脉冲激光源抽运满足II类准相位 匹配条件的周期极化磷酸氧钛钾晶体, 实验产生了偏振相互正交的频率一致纠缠光子对. 基于Hong-Ou-Mandel干涉仪的二阶量子符合干涉装置, 测量到该纠缠双光子对的干涉可见度约为42%, 表明其频率不可分特性较理想频率一致纠缠光源大大降低. 通过理论分析给出, 由于超短脉冲光源对应的宽频谱带宽影响, 相位匹配函数中的高阶色散项不再忽略, 从而导致纠缠光子对的频率不可分性减弱. 进一步利用实验参数给出的数值模拟结果与实验结果符合, 证实了脉冲抽运源带宽对频率一致纠缠光源的量子不可分特性的影响. 关键词： 频率一致纠缠 Hong-Ou-Mandel干涉测量 符合计数     

光钟

时间标准的研究在人类生活和科学探索中有着举足轻重的地位.文章简要介绍了时间的基本单位“秒”定义的几次重要发展与变迁,重点介绍了光钟的工作原理、关键部件、研究进展和光钟对“秒”定义未来发展的重要性.     

一种新的卫星钟差Kalman滤波噪声协方差估计方法

采用Kalman滤波方法进行钟差参数计算和预报时, 需确定Kalman滤波噪声协方差矩阵. 针对这一问题, 提出了一种新的卫星钟差Kalman滤波噪声协方差估计方法, 通过建立新息的相关函数序列与未知的噪声参数间的线性函数模型, 采用最小二乘法进行噪声参数估计. 采用精密钟差数据进行钟差参数估计和预报分析, 结果表明, 该方法具有较好的收敛性, 并与顾及随机噪声模型的开窗分类因子自适应抗差估计方法进行对比分析, 验证了新方法的正确性和有效性.     

纠缠光子对的级联Hong-Ou-Mandel干涉研究及其在多时延参数测量中的应用

基于纠缠光子对的Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉仪在量子精密测量等领域有着重要应用.本文提出了利用一个级联HOM干涉仪实现多个独立时延参数的同时测量方案.通过理论分析得出纠缠光子对经过多个50:50分束器级联传输后,其HOM二阶量子干涉图谱中凹陷位置与各级传输路径间独立时延参数的对应关系,因此可通过记录各个凹陷位置的时延值实现多个独立时延参数的同时测量.在此基础上搭建了基于频率一致纠缠光子对的二级级联HOM干涉测量装置,通过实验上得到的具有两个对称凹陷的二阶量子干涉图谱,实现了两级传输路径间两个独立时延参数τ₁和τ₂的同时测量,并分别获得了 109 fs和98 fs的测量精度.上述研究结果为HOM干涉仪在多参量量子精密测量系统中的扩展应用奠定基础.     

我国基准光钟及其绝对频率测量

光钟能够产生高稳定、高准确的光学频率,在时间频率计量、基础物理研究、相对论大地测量等领域有着潜在的应用。中国光钟研究从21世纪初开始起步,在超稳激光产生、量子参考体系制备、系统频移评估和绝对频率测量等方面取得了长足的进步,目前已经有多个研究组的光钟系统频率不确定度进入10^-18量级,多个机构实现了光钟绝对频率测量,并且有三种光钟的测量结果被国际时间频率咨询委员会采纳。文章将回顾中国为应对秒定义变革而开展的高准确度光钟及其绝对频率测量研究,梳理目前取得的进展和成果,总结存在的问题,并对未来发展提出建议。     

热库诱导的两比特量子纠缠与量子关联

对比研究了处于热库中的两量子比特的量子纠缠和量子关联随时间的演化。数值模拟的结果表明,尽管热库几乎总能诱导两量子比特的量子纠缠与量子关联,但二者的动力学演化并不完全相同。在与热库的相互作用中,两比特初始形成量子纠缠,随后纠缠逐渐消失,两比特形成纠缠以外的量子关联并得到维持。由此看出,相比于量子纠缠,量子关联对消相干的影响表现得更为稳健。     

基于纠缠的数据链路层量子通信协议

利用量子力学中的纠缠关联性，提出了数据链路层的量子通信协议. 该协议把线路分为忙闲时段，量子纠缠态的分发预先在闲时段完成，数据经由经典链路发送，确认帧经由量子纠缠信道发送. 量子信息的传输可以是瞬时的，因此两个发送成功的数据帧之间的最小时间间隔可以大为减小. 研究表明该协议能有效地提高数据链路的最大吞吐量，改善数据链路层停止等待协议的性能. 关键词： 量子通信 纠缠 停止等待协议 数据链路     

三量子位系统的消相干和退纠缠

基于多谐振子热库环境模型,采用求解非马尔可夫近似主方程方法,研究了三量子位系统由于相对位相变化引起的消相干和退纠缠.计算得到了初始态为GHZ-class态、W-class态和WGHZ-class态在演化过程中的消相干和退纠缠时间尺度.结果表明,对初始GHZ-class态,相干性全部丧失,退纠缠完全发生,纠缠度变为0;对初始W-class态,相干性和纠缠度被保持;对初始WGHZ-class态,消相干部分发生,纠缠首先随时间变化最后达到一个渐近值.     

具有三体相互作用自旋链的量子相干与量子纠缠

本文研究了具有两种三体相互作用的海森堡XXZ自旋链的量子相干与量子纠缠的特性。研究发现,量子相干性不会出现突然死亡现象且非零量子相干性存在的温度范围大于量子纠缠存在的温度范围,说明量子相干性相对于量子纠缠,具有更强的鲁棒性。在量子临界环境中,量子相干性可以表征本模型的量子相变现象。在铁磁情形中,无论外磁场是否为0,单独调控XZX+YZY三体相互作用对于减缓量子相干性的衰减速率与增大量子相干性存在的温度范围效果最好。在反铁磁情形中,外磁场为0时,XZX+YZY与XZY-YZX两种三体相互作用的协同作用可以显著增加量子相干性的最大值,并明显减缓其衰减速率。在铁磁情形与反铁磁情形中都发现当外磁场B <0时,量子相干性存在的温度范围更大,更有利于保存量子相干性。     

非柯尔莫哥洛夫湍流光束漂移的理论研究

一直以来, 大气湍流对空间光通信影响的研究都是在柯尔莫哥洛夫(Kolmogolov)湍流理论的框架内进行, 该模型已经被人们广泛接受和使用。然而, 近年来国内外众多非柯尔莫哥洛夫(Non-Kolmogolov)湍流的实验报道则表明Kolmogolov湍流理论有时不能完全正确地描述大气湍流的统计规律, 尤其在对流顶层和平流层。为了全面了解大气湍流对空间光通信的影响, 研究Non-Kolmogolov湍流对光波传输的影响成为了首先要面对的问题。基于Non-Kolmogolov湍流功率谱密度, 运用几何光学近似方法推导了弱起伏条件下准直光束和聚焦光束的光束漂移方差, 并给出了简洁的解析表达式; 然后, 利用这一表达式进行了仿真分析。     

测距光束光斑漂移的数值仿真

针对远距离激光测距,如地球同步卫星测距、激光测月,利用基于傅里叶变换的分步传播方法对测距光束在湍流大气中的上行传播进行数值仿真.根据大气结构常数廓线,采用等Rytov指数间隔法分布相位屏,与理论值比对的结果表明相位屏的分布合理.在此基础上,对光束的光斑漂移进行分析,得到光斑漂移量与准直测距光束束腰的定量关系,为测距激光...     

高阶模高斯光束整形方法研究

研究了高阶模高斯光束的整形方法.在高阶模高斯光束和平顶光束理论模型的基础上,分别选择了平项洛仑兹函数和费米狄拉克函数作为平顶光分布函数,利用能量守恒定律,分别推导针对拉盖尔-高斯光束和厄米特-高斯光束整形系统中入射光与出射光的映射函数.最后利用ZEMAX软件设计了针对TEM01模高斯光束进行整形的非球面透镜元件.结果表...     

三角翼涡破裂的高精度数值模拟

采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)数值模拟65°后掠角尖前缘三角翼的大攻角跨声速绕流流场,考察低耗散、高分辨率的WCNS-E-5格式对于三角翼涡破裂模拟的适用性,及激波旋涡干扰对涡破裂点位置的影响,重点研究三角翼大攻角旋涡破裂点的突然前移.通过求解任意坐标系下的非定常雷诺平均N-S方程,采用WCNS-E-5和SST两方程湍流模型,与试验结果和文献计算结果对比,表明既有高阶精度又能光滑捕捉激波的WCNS格式在模拟三角翼旋涡破裂方面具有一定优势,其数值结果与试验结果吻合较好,三角翼大攻角旋涡破裂点的突然前移是由于跨声速流场的激波旋涡干扰.     

部分相干艾里光在大气湍流中的光束扩展与漂移

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型,结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱,推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式,对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响,并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明:衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大,当它们的取值增大时,漂移越严重;内尺度对光束漂移几乎没有影响;在相同的条件下,艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级,且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.     

艾里涡旋光束在梯度折射率介质中的动态传输与涡旋轨迹

推导了艾里涡旋光束在傍轴ABCD光学系统中的传输解析式,研究了其在梯度折射率介质中的动态传输、坡印廷矢量和涡旋轨迹,及涡旋核对艾里主波瓣和坡印廷矢量的影响.结果表明:弹道轨迹和涡旋轨迹不再是传统的抛物线,而是呈三角函数分布;在z=(2j+1)L/4处,弹道轨迹和涡旋轨迹均会有奇异现象,且在z=(j+1)L/2附近有坡印廷矢量的反转现象.在临界传输距离处,艾里主波瓣会被涡旋核遮拦,随着传输距离的增大,艾里主波瓣由于自愈特性再次出现,并绕最近的涡旋核旋转.     

信号光束宽度对不同漂移误差的空间光通信系统误码率影响的研究

信号光束宽度直接影响着空间光通信系统误码性能,光束宽度的选择需要综合考虑多种因素。研究了激光在大气湍流中的光束漂移、光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系,得到考虑漂移因素的光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系。分析表明在弱湍流条件下,光强闪烁和平均光强与光束宽度和对准精度相关,讨论了在水平路径上未跟踪补偿和跟踪补偿的光束的光强闪烁和平均光强随光束宽度的变化趋势。利用数值方法得到光强闪烁最小、平均光强最大时的光束宽度取值区间,通过光强概率分布关系和实际应用要求实现了光束宽度的优化选取。结果表明,在相同系统信噪比情况下,跟踪光束与未跟踪光束相比,系统误码率低,光束宽度值相对较小,取值区间大。     

高质量光学涡旋阵列的实验研究

将光学涡旋与计算全息技术相结合,提出一种高质量光学涡旋阵列的产生方法.从理论上研究了光学涡旋阵列的形成和分布特征,并模拟仿真产生涡旋光束阵列.基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图,利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列,并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行验证.产生的高质量光学涡旋阵列提供了更复杂的结构分布和更多的可控参量,且实验光路易实现.研究结果在光学微操控、光通信等领域具有潜在应用价值.     

部分相干光在大气湍流中斜程传输路径上的展宽与漂移

基于Andrews和Philips经典漂移方差模型,利用部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中斜程传输的光束扩展半径,推导出考虑外尺度情况时部分相干高斯-谢尔光束斜程情况下的漂移方差表达式,应用随高度变化的大气结构常量模型进行数值计算,对比分析了部分相干光和完全相干光在大气湍流中的展宽和漂移特性.结果表明:相同的传输条件下,部分相干光比完全相干光的光束扩展更迅速,受湍流的影响也更小;初始半径越大,接收机高度越高,光束的扩展效应越小;随着传输距离的增大,光束的质心漂移方差随光束初始半径的增大而减小,不同相干性的光束漂移方差变化很小;完全相干光的光束漂移受波长的影响较小,而部分相干光的波长越长,漂移越明显.     

Scattering from a Multi-Layered Sphere Located in a High-Order Hermite-Gaussian Beam

Scattering of a high-order Hermite-Gaussian beam by a multi-layered sphere is analyzed. The incident high- order Hermite-Gaussian beam field is expressed by the complex-source-point method and expanded in terms of spherical vector wave functions. The beam shape coefficients of the Hermite-Gaussian beam are obtained. Under electromagnetic field boundary conditions, coefficients in the expressions of scattering fields are derived. Results of the numerical calculation of scattering intensity are presented. The effects of the particle parameters and beam parameters on scattering intensity are discussed in detail.