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ACTA PHOTONICA SINICA

屏蔽环境下X射线通信传输理论与实验研究

张雪晗 ZHANG Xuehan, 苏桐 SU Tong, 盛立志 Sheng Lizhi, 刘永安, 赵宝升 Zhao Baosheng

Published Jan 1, 2021• 0 citations
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Abstract

通过X射线与物质的相互作用理论模型，研究了在电磁屏蔽环境下X射线的透过率和通信性能，理论上证明了X射线通信用于电磁屏蔽环境中信息传输的可行性。建立屏蔽环境下X射线通信的数值仿真模型，分析了X射线在电磁屏蔽环境下的通信参数，实现了对核心元器件的指标约束。最后，基于X射线调制发射、单光子X射线探测关键技术，搭建模拟电磁屏蔽环境下的X射线通信演示验证系统，进行X射线穿透屏蔽材料的等效模拟实验，实现了通信速率优于23 kbps的X射线通信实验验证。该结果有望为解决屏蔽环境下的辐射数据传输提供一定的理论依据和实验基础。

DOI
10.3788/gzxb20215011.1134002

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量子纠缠在量子精密测量中的应用研究进展

Wanhe CHEN, 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191, Yuting XU +6 more

量子纠缠叩开了量子精密测量精度突破标准量子极限的大门，当初始探针中的粒子态使用非经典资源时，量子精密测量精度能够逼近海森堡极限，显著提升测量的灵敏度。量子纠缠已在冷原子、囚禁离子和热原子等量子系统中展现出突破标准量子极限的强大潜力，有望推动物理学前沿发展和技术的创新进步。本文阐述量子纠缠增强量子精密测量领域的理论框架、纠缠对于测量的影响、纠缠态制备机理及量子传感器前沿应用。最后，对该领域进行了总结和展望。

Journal of Applied Optics•Jan 1, 2025•1 citation

多体高维量子导引的检测及制备（特邀）

项玉 Xiang Yu, 马倩倩 Ma Qianqian, 张啸林 Zhang Xiaolin +2 more

量子导引是一种特殊形式的量子关联，介于纠缠不可分性和非定域性之间。量子导引具有天然的不对称性，是实现更安全且单方设备不依赖的量子密钥分发、量子隐形传态、量子秘密共享的重要资源，近年来引起理论和实验层面的高度关注。随着量子技术的不断发展，对微观体系量子特性的研究向多体、高维、非高斯等复杂量子系统拓展。在这些复杂量子体系内制备的纠缠态在高速运算、增大信息容量、提升信息安全性等方面有着巨大的应用价值和重要的科学意义，相关研究成为量子物理与量子信息领域的科技前沿。本文首先介绍了量子导引的概念；然后，将该定义拓展至多体高维系统，并着重介绍了量子导引在这些复杂量子态中的分配约束和非对称导引结构等性质，回顾了相关实验制备方案和进展；最后，对该方向目前的研究难点及挑战进行了分析。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•0 citations

原子磁力仪的研究进展与发展趋势

宗昕冉 Zong Xinran, 陈海军 Chen Haijun

原子磁力仪作为一种用于精确测量磁场的仪器，在基础物理、地球科学、生物医学等多个领域发挥着重要作用。针对原子磁力仪的技术发展进行了全面综述，包括主要分类、基本特征，并重点介绍了碱金属光泵浦磁力仪、相干布居囚禁原子磁力仪、无自旋交换弛豫原子磁力仪，以及非线性磁光旋转原子磁力仪等仪器的研究现状与发展趋势。首先介绍了基于经典物理原理和量子效应原理的磁力仪分类；然后详细讨论了4种量子效应原子磁力仪的工作原理、灵敏度、动态范围、带宽等关键性能指标，以及它们在不同应用场景下的优势和挑战；最后，探讨了这些磁力仪技术的未来发展方向，包括微型化、集成化、矢量磁场测量能力的提升，以及在生物医学成像、地球物理勘探等领域的潜在应用。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•0 citations

里德伯原子系统解调微波调幅信号的线性工作点研究

金袁凯 Jin Yuankai, 饶睿坚 Rao Ruijian, 吴金云 Wu Jinyun +1 more

研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先，利用里德伯原子的电极化率理论表达式，得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下，里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型；然后，计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数，并利用二阶导数为0这一条件，得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点，即最佳线性工作点；最后，采用总谐波失真（THD）来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明，对于里德伯原子133Cs（采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2），当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz，并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时，工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•0 citations

腔量子电动力学中光子阻塞效应的研究进展（特邀）

唐静 Tang Jing, 邓元刚 Deng Yuangang

光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•3 citations

双码元X射线通信信号调制与误码率分析

董国仓 Dong Guocang, 高有涛 Gao Youtao, 董航硕 Dong Hangshuo +3 more

为提高X射线通信效率，提出一种利用双靶材X射线源实现双码元通信的方案。通过调节磁场强弱和方向变化，控制电子不打靶、均匀打靶、轰击铬靶或铜靶，完成了基于磁场调制的双靶材X射线源的双码元通信信号调制实验，取得了间隔为10 s、距离为40 cm条件下的200组实验数据。基于实验数据，利用遗传优化二元泊松分布模型对通信误码率进行了分析，分析结果表明：当信号衰减值低于400时，可以实现误码率低于10-4，在此条件下，探测端每时隙内留存大约500个光子；遗传优化算法提高了识别精度，在衰减值超过1000的环境中误码率优化幅度为10-1左右，误码率在10-4范围内，优化幅度约为10-5，本研究为基于多靶材X射线源的X射线通信技术的发展提供了方向。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2024•0 citations
通过X射线与物质的相互作用理论模型，研究了在电磁屏蔽环境下X射线的透过率和通信性能，理论上证明了X射线通信用于电磁屏蔽环境中信息传输的可行性。建立屏蔽环境下X射线通信的数值仿真模型，分析了X射线在电磁屏蔽环境下的通信参数，实现了对核心元器件的指标约束。最后，基于X射线调制发射、单光子X射线探测关键技术，搭建模拟电磁屏蔽环境下的X射线通信演示验证系统，进行X射线穿透屏蔽材料的等效模拟实验，实现了通信速率优于23 kbps的X射线通信实验验证。该结果有望为解决屏蔽环境下的辐射数据传输提供一定的理论依据和实验基础。
量子纠缠叩开了量子精密测量精度突破标准量子极限的大门，当初始探针中的粒子态使用非经典资源时，量子精密测量精度能够逼近海森堡极限，显著提升测量的灵敏度。量子纠缠已在冷原子、囚禁离子和热原子等量子系统中展现出突破标准量子极限的强大潜力，有望推动物理学前沿发展和技术的创新进步。本文阐述量子纠缠增强量子精密测量领域的理论框架、纠缠对于测量的影响、纠缠态制备机理及量子传感器前沿应用。最后，对该领域进行了总结和展望。
量子导引是一种特殊形式的量子关联，介于纠缠不可分性和非定域性之间。量子导引具有天然的不对称性，是实现更安全且单方设备不依赖的量子密钥分发、量子隐形传态、量子秘密共享的重要资源，近年来引起理论和实验层面的高度关注。随着量子技术的不断发展，对微观体系量子特性的研究向多体、高维、非高斯等复杂量子系统拓展。在这些复杂量子体系内制备的纠缠态在高速运算、增大信息容量、提升信息安全性等方面有着巨大的应用价值和重要的科学意义，相关研究成为量子物理与量子信息领域的科技前沿。本文首先介绍了量子导引的概念；然后，将该定义拓展至多体高维系统，并着重介绍了量子导引在这些复杂量子态中的分配约束和非对称导引结构等性质，回顾了相关实验制备方案和进展；最后，对该方向目前的研究难点及挑战进行了分析。
原子磁力仪作为一种用于精确测量磁场的仪器，在基础物理、地球科学、生物医学等多个领域发挥着重要作用。针对原子磁力仪的技术发展进行了全面综述，包括主要分类、基本特征，并重点介绍了碱金属光泵浦磁力仪、相干布居囚禁原子磁力仪、无自旋交换弛豫原子磁力仪，以及非线性磁光旋转原子磁力仪等仪器的研究现状与发展趋势。首先介绍了基于经典物理原理和量子效应原理的磁力仪分类；然后详细讨论了4种量子效应原子磁力仪的工作原理、灵敏度、动态范围、带宽等关键性能指标，以及它们在不同应用场景下的优势和挑战；最后，探讨了这些磁力仪技术的未来发展方向，包括微型化、集成化、矢量磁场测量能力的提升，以及在生物医学成像、地球物理勘探等领域的潜在应用。
研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先，利用里德伯原子的电极化率理论表达式，得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下，里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型；然后，计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数，并利用二阶导数为0这一条件，得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点，即最佳线性工作点；最后，采用总谐波失真（THD）来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明，对于里德伯原子133Cs（采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2），当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz，并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时，工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。
光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。
为提高X射线通信效率，提出一种利用双靶材X射线源实现双码元通信的方案。通过调节磁场强弱和方向变化，控制电子不打靶、均匀打靶、轰击铬靶或铜靶，完成了基于磁场调制的双靶材X射线源的双码元通信信号调制实验，取得了间隔为10 s、距离为40 cm条件下的200组实验数据。基于实验数据，利用遗传优化二元泊松分布模型对通信误码率进行了分析，分析结果表明：当信号衰减值低于400时，可以实现误码率低于10-4，在此条件下，探测端每时隙内留存大约500个光子；遗传优化算法提高了识别精度，在衰减值超过1000的环境中误码率优化幅度为10-1左右，误码率在10-4范围内，优化幅度约为10-5，本研究为基于多靶材X射线源的X射线通信技术的发展提供了方向。