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Laser & Optoelectronics Progress

集成量子密钥分发研究进展(特邀)

张国威 Zhang Guowei, 黄冠中 Huang Guanzhong, 王纺翔 Wang Fangxiang, 陈巍 Chen Wei

Published Jan 1, 2025• 3 citations
Publisher

Abstract

量子密钥分发基于量子力学原理,为远程用户提供安全的密钥协同方法,是当前量子信息领域中实用化程度最高的技术之一。集成光学为量子密钥分发的实现提供了理想的技术平台,其成果已在系统规模、成本控制、集成度以及可扩展性等方面展现出显著优势。本文聚焦基于集成光学的量子密钥分发,首先对常用的集成光学材料平台和基础功能单元器件进行了概述;然后侧重系统实用化设计与实现,总结了集成量子密钥分发的代表性工作,并深入分析了集成量子密钥分发器件和系统的实际安全性问题;最后对基于集成器件的量子通信网络的发展进行了展望。

DOI
10.3788/lop250992

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光量子精密测量研究进展(特邀)

王犇 Wang Ben, 张利剑 Zhang Lijian

量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一,近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数,利用量子资源进行量子增强测量,以提升参数测量精度。与其他物理系统相比,光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性,因而常被用作量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。介绍了量子精密测量的一般性原理,给出参数估计的量子极限精度下界。同时,介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相应的挑战。

Chinese Journal of Lasers•Jan 1, 2024•11 citations

基于量子纠缠的远程态制备研究进展(特邀)

苏晓龙 Su Xiaolong, 韩冬梅 Han Dongmei, 王娜 Wang Na +1 more

基于远程分发的量子纠缠,远程态制备能够实现量子态的远程制备和操控,是实现量子态传输的一种重要方式。近年来,远程态制备取得了重要研究进展,相继实现了单量子比特、连续变量量子比特、压缩态、非高斯态和光学猫态的远程制备。本文简要介绍远程态制备的基本原理、离散变量和连续变量远程态制备的研究进展及其发展趋势。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2024•11 citations

连续变量纠缠辅助量子通信研究进展(特邀)

任思宇 Ren Siyu, 王美红 Wang Meihong, 苏晓龙 Su Xiaolong

量子通信是量子科技的重要研究方向,正在朝着实用化量子通信系统和量子通信网络方向发展。基于纠缠的量子通信能够实现经典通信系统无法完成的量子通信任务,近年来取得了系列重要进展。基于量子光场的连续变量量子通信系统具有确定性产生量子纠缠、与经典光通信系统兼容性高等优势,在量子通信领域具有广阔的应用前景。本文简要介绍连续变量纠缠辅助量子通信的基本原理和研究进展,包括连续变量量子密钥分发、量子密集编码和量子隐形传态,并讨论连续变量纠缠辅助量子通信面临的问题和挑战。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•2 citations

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

量子信息技术的新范式:手性量子光学的研究进展与应用(特邀)

李恩泽 Li Enze, 王天宇 Wang Tianyu, 史保森 Shi Baosen

手性作为物质的基本特性之一,在物理、化学和生物系统中普遍存在。近年来,光与物质手性相互作用的研究取得了显著进展,为量子光学和量子信息技术开辟了全新的研究方向。在手性相互作用中,局域光场的偏振态与其传播方向紧密关联,从而实现了非互易的光-物质耦合。这一现象突破了传统量子光学中时间反演对称性的基本假设,催生了一系列全新的手性量子光学平台和技术,包括手性量子态传输、确定性自旋-光子界面,以及复杂量子网络的构建等。这些进展不仅推动了多量子态叠加操控和方向依赖态存储技术的发展,还为量子通信、量子计算和量子模拟等领域带来了重要突破。尽管如此,手性量子光学的广泛应用仍面临诸多挑战。例如,如何设计高效率的手性界面、抑制光子损耗,以及表征复杂系统中的手性相互作用,仍是亟待解决的关键问题。本文综述了手性量子光学领域的最新研究进展及其在量子信息科学中的应用,并深入探讨了未来可能的发展方向及其潜在影响。

Laser & Optoelectronics Progress•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
量子密钥分发基于量子力学原理,为远程用户提供安全的密钥协同方法,是当前量子信息领域中实用化程度最高的技术之一。集成光学为量子密钥分发的实现提供了理想的技术平台,其成果已在系统规模、成本控制、集成度以及可扩展性等方面展现出显著优势。本文聚焦基于集成光学的量子密钥分发,首先对常用的集成光学材料平台和基础功能单元器件进行了概述;然后侧重系统实用化设计与实现,总结了集成量子密钥分发的代表性工作,并深入分析了集成量子密钥分发器件和系统的实际安全性问题;最后对基于集成器件的量子通信网络的发展进行了展望。
量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一,近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数,利用量子资源进行量子增强测量,以提升参数测量精度。与其他物理系统相比,光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性,因而常被用作量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。介绍了量子精密测量的一般性原理,给出参数估计的量子极限精度下界。同时,介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相应的挑战。
量子通信是量子科技的重要研究方向,正在朝着实用化量子通信系统和量子通信网络方向发展。基于纠缠的量子通信能够实现经典通信系统无法完成的量子通信任务,近年来取得了系列重要进展。基于量子光场的连续变量量子通信系统具有确定性产生量子纠缠、与经典光通信系统兼容性高等优势,在量子通信领域具有广阔的应用前景。本文简要介绍连续变量纠缠辅助量子通信的基本原理和研究进展,包括连续变量量子密钥分发、量子密集编码和量子隐形传态,并讨论连续变量纠缠辅助量子通信面临的问题和挑战。
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。
手性作为物质的基本特性之一,在物理、化学和生物系统中普遍存在。近年来,光与物质手性相互作用的研究取得了显著进展,为量子光学和量子信息技术开辟了全新的研究方向。在手性相互作用中,局域光场的偏振态与其传播方向紧密关联,从而实现了非互易的光-物质耦合。这一现象突破了传统量子光学中时间反演对称性的基本假设,催生了一系列全新的手性量子光学平台和技术,包括手性量子态传输、确定性自旋-光子界面,以及复杂量子网络的构建等。这些进展不仅推动了多量子态叠加操控和方向依赖态存储技术的发展,还为量子通信、量子计算和量子模拟等领域带来了重要突破。尽管如此,手性量子光学的广泛应用仍面临诸多挑战。例如,如何设计高效率的手性界面、抑制光子损耗,以及表征复杂系统中的手性相互作用,仍是亟待解决的关键问题。本文综述了手性量子光学领域的最新研究进展及其在量子信息科学中的应用,并深入探讨了未来可能的发展方向及其潜在影响。
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。