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Acta Optica Sinica

基于双步符合计数的纠缠光量子成像方法

Mu Zhou, 嵇长银 Ji Changyin, 王勇 Wang Yong, 曹静阳 Cao Jingyang

Published Jan 1, 2023• 3 citations
Publisher

Abstract

为了提高纠缠光量子成像效率，本文采用双步符合计数法快速获取目标成像信息，降低纠缠光量子成像的时间开销。首先，利用透镜和波片组合对激光器产生的泵浦光进行调制，提高周期极化磷酸氧钛钾（PPKTP）晶体自发参量下转换的效率；然后，通过数字微镜器件（DMD）选取测距区域，构造单光子时间脉冲序列差值；其次，利用该差值完成局部符合计数以得到信号和参考光路的延时差；再次，通过控制DMD选取成像区域，对单光子时间脉冲序列进行修正，并利用修正后的序列完成全局符合计数；最后，将符合计数值与灰度值进行映射，得到目标的量子图像。此外，通过与经典量子成像结果相比较，分析了目标距离、测距区域大小和单像素曝光时间对成像结果的影响，同时搭建了实际的量子成像光路以验证本文方法的有效性。

DOI
10.3788/aos230439

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多光子干涉在量子计算及量子机器学习中的研究进展（特邀）

占浩 Zhan Hao, 胥亮 Xu Liang, 张利剑 Zhang Lijian

多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•1 citation

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

里德堡原子微波测量系统中原子渡越噪声的研究

杨雪洲 Xue-zhou YANG, 曾国晋 Guo-jin ZENG, 李捷 Jie LI +5 more

基于里德堡原子的微波测量方法具有突破传统电子学测量系统热噪声极限的潜力，已成为最具潜力的微波量子测量技术之一。然而，原子系统中存在的各种噪声限制了测量灵敏度的提升。本文主要对基于里德堡原子超外差测量系统中存在的原子渡越噪声进行了研究。首先介绍了基于里德堡原子超外差技术的微波测量原理；然后，详细研究了原子热运动产生的渡越噪声对基于原子微波测量的影响。研究表明，渡越噪声的频率影响范围与激发光腰斑的大小成反比，且噪声强度随探测光强度的增加具有先增大后趋于饱和的现象。最后，我们展示了原子渡越噪声对测量灵敏度的影响。此工作对提升里德堡原子微波测量系统的灵敏度具有重要意义。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2024•1 citation

原子光学讲座 第一讲 几何与波动原子光学及其器件

印建平

文章首先简单介绍了冷原子操纵与控制的基本原理。然后，重点介绍了几何与波动原子光学及其器件的研究内容、潜在应用和最新进展，其中包括：原子束的反射和原子反射镜；原子束偏转（折射）、聚焦成像和原子透镜；原子衍射和原子光栅；原子干涉和原子干涉仪；原子全息学及其技术等。

物理•Jan 1, 2006•0 citations

富勒烯拓扑量子阵列规模化集成架构与大规模量子网络构建

Jian Wen

核心定位:从单分子单元走向规模化阵列的工程核心论文,解决单元集成、阵列耦合、全局调控、量子网络搭建核心问题,打通从单比特到大规模量子计算的扩容壁垒。 摘要 量子计算规模化扩容引发的串扰累积、误差爆炸、调控复杂难题,是当前通用量子计算产业化落地的核心瓶颈,主流量子体系始终无法突破“扩容必降稳、容错必高开销”的行业三难困境。依托AI4S课题组P00-P09全系前序理论成果,富勒烯准光子拓扑量子单元具备原生拓扑抗噪、弱线性误差传播、低退相干的天然优势,是破解规模化扩容难题的全新技术路径。本文聚焦单分子单元向大规模量子阵列、量子网络的工程化跨越,系统性完成阵列物理机理建模、硬件架构设计、串扰抑制体系搭建、纠缠网络构建与工程落地验证。首先,基于课题组拓扑场与磁化率理论,量化推导富勒烯单元间拓扑耦合规律,明确核心物理参数的理论溯源与取值依据,论证最优阵列拓扑晶格结构。其次,创新构建二维平面、三维堆叠双阵列硬件架构,搭建物理隔离+梯度场拓扑隔离的双层串扰抑制体系,建立全局调控+局域精准寻址的分级操控机制,补齐规模化阵列工程适配准则。再次,建立阵列串扰量化模型与弱线性误差累积表达式,结合P09双层容错架构,设计适配大规模阵列的容错纠错策略与动态耦合均衡算法,攻克多单元误差累积难题。然后,搭建分层级大规模高维量子纠缠组网逻辑,实现网络动态重构与节点自适应适配。最后,建立算力扩容量化模型,通过标准化可复现仿真完成多规模阵列性能分析,对标主流量子体系完成算力优势量化对比,配套完善标准化制备工艺与量产方案,明确理论可证伪边界。本文从物理底层解决了量子阵列规模化扩容的核心痛点,形成一套机理完备、量化精准、工程可落地的拓扑量子阵列集成与组网体系,为大规模低噪容错量子计算的产业化落地提供坚实的理论与工程支撑。 关键词 富勒烯拓扑量子;准光子量子单元;规模化阵列集成;串扰抑制;分级调控;量子纠缠网络;算力扩容;工程落地工艺

•May 29, 2026•0 citations

各向同性激光冷却的快速冷原子密度测量

张启旺 Zhang Qiwang, 张孝 Zhang Xiao, 王欣 Wang Xin +4 more

在某些冷原子实验中，需要提前测定冷原子的密度分布并为后续实验提供数据支持，以前的手动方法已不再适用，针对该问题提出了一种新型的冷原子密度分布测量方法，可在单个冷原子制备周期内实现对原子密度分布的测量。新的方法利用一对反亥姆霍兹线圈与一对亥姆霍兹线圈分别产生梯度磁场和偏置磁场，通过调节亥姆霍兹线圈电流，即可改变总磁场零点的位置，进而影响不同位置处的原子对探测光吸收的贡献，最终实现对原子密度分布的测量。在理论上分析了该方法的可行性，并提出了快速冷原子密度测量的实验方案。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2024•3 citations
为了提高纠缠光量子成像效率，本文采用双步符合计数法快速获取目标成像信息，降低纠缠光量子成像的时间开销。首先，利用透镜和波片组合对激光器产生的泵浦光进行调制，提高周期极化磷酸氧钛钾（PPKTP）晶体自发参量下转换的效率；然后，通过数字微镜器件（DMD）选取测距区域，构造单光子时间脉冲序列差值；其次，利用该差值完成局部符合计数以得到信号和参考光路的延时差；再次，通过控制DMD选取成像区域，对单光子时间脉冲序列进行修正，并利用修正后的序列完成全局符合计数；最后，将符合计数值与灰度值进行映射，得到目标的量子图像。此外，通过与经典量子成像结果相比较，分析了目标距离、测距区域大小和单像素曝光时间对成像结果的影响，同时搭建了实际的量子成像光路以验证本文方法的有效性。
多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。
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。
基于里德堡原子的微波测量方法具有突破传统电子学测量系统热噪声极限的潜力，已成为最具潜力的微波量子测量技术之一。然而，原子系统中存在的各种噪声限制了测量灵敏度的提升。本文主要对基于里德堡原子超外差测量系统中存在的原子渡越噪声进行了研究。首先介绍了基于里德堡原子超外差技术的微波测量原理；然后，详细研究了原子热运动产生的渡越噪声对基于原子微波测量的影响。研究表明，渡越噪声的频率影响范围与激发光腰斑的大小成反比，且噪声强度随探测光强度的增加具有先增大后趋于饱和的现象。最后，我们展示了原子渡越噪声对测量灵敏度的影响。此工作对提升里德堡原子微波测量系统的灵敏度具有重要意义。
核心定位:从单分子单元走向规模化阵列的工程核心论文,解决单元集成、阵列耦合、全局调控、量子网络搭建核心问题,打通从单比特到大规模量子计算的扩容壁垒。 摘要 量子计算规模化扩容引发的串扰累积、误差爆炸、调控复杂难题,是当前通用量子计算产业化落地的核心瓶颈,主流量子体系始终无法突破“扩容必降稳、容错必高开销”的行业三难困境。依托AI4S课题组P00-P09全系前序理论成果,富勒烯准光子拓扑量子单元具备原生拓扑抗噪、弱线性误差传播、低退相干的天然优势,是破解规模化扩容难题的全新技术路径。本文聚焦单分子单元向大规模量子阵列、量子网络的工程化跨越,系统性完成阵列物理机理建模、硬件架构设计、串扰抑制体系搭建、纠缠网络构建与工程落地验证。首先,基于课题组拓扑场与磁化率理论,量化推导富勒烯单元间拓扑耦合规律,明确核心物理参数的理论溯源与取值依据,论证最优阵列拓扑晶格结构。其次,创新构建二维平面、三维堆叠双阵列硬件架构,搭建物理隔离+梯度场拓扑隔离的双层串扰抑制体系,建立全局调控+局域精准寻址的分级操控机制,补齐规模化阵列工程适配准则。再次,建立阵列串扰量化模型与弱线性误差累积表达式,结合P09双层容错架构,设计适配大规模阵列的容错纠错策略与动态耦合均衡算法,攻克多单元误差累积难题。然后,搭建分层级大规模高维量子纠缠组网逻辑,实现网络动态重构与节点自适应适配。最后,建立算力扩容量化模型,通过标准化可复现仿真完成多规模阵列性能分析,对标主流量子体系完成算力优势量化对比,配套完善标准化制备工艺与量产方案,明确理论可证伪边界。本文从物理底层解决了量子阵列规模化扩容的核心痛点,形成一套机理完备、量化精准、工程可落地的拓扑量子阵列集成与组网体系,为大规模低噪容错量子计算的产业化落地提供坚实的理论与工程支撑。 关键词 富勒烯拓扑量子;准光子量子单元;规模化阵列集成;串扰抑制;分级调控;量子纠缠网络;算力扩容;工程落地工艺
在某些冷原子实验中，需要提前测定冷原子的密度分布并为后续实验提供数据支持，以前的手动方法已不再适用，针对该问题提出了一种新型的冷原子密度分布测量方法，可在单个冷原子制备周期内实现对原子密度分布的测量。新的方法利用一对反亥姆霍兹线圈与一对亥姆霍兹线圈分别产生梯度磁场和偏置磁场，通过调节亥姆霍兹线圈电流，即可改变总磁场零点的位置，进而影响不同位置处的原子对探测光吸收的贡献，最终实现对原子密度分布的测量。在理论上分析了该方法的可行性，并提出了快速冷原子密度测量的实验方案。