本文基于一个含有光学参量放大器的腔光力系统, 其中腔场和机械场之间具有线性和二次色散耦合的相互作用, 研究了二次光力耦合与参量放大器对本征模劈裂的重要影响。通过分析腔场涨落项的输出谱和机械振子位移的涨落谱, 得出结论: 腔场和机械场均呈现出本征模劈裂的现象, 光学参量放大器非线性增益值的大小及二次光力耦合强度均正比于劈裂谱两峰之间的距离, 即二者对本征模劈裂效应具有相似的调控作用。本文同时也验证了文献[Journal of Modern Optics, 66(5): 494-501 (2019)]的结论: 具有线性和二次耦合的光力系统可以是含有光学参量放大器混合光力系统的一个替代研究平台。

具有反聚束特性的非经典光场是量子信息与量子光学的重要资源。基于非线性光学的量子干涉效应, 通过将压缩真空态与特定相位的相干态在光学分束器上合成的方法获得平移压缩真空态, 对压缩度和相干分量进行独立控制以获得反聚束。本文结合实验系统参数, 理论研究了压缩真空态的压缩度和相干态的幅度对实验产生反聚束光场的影响。在最优化平移条件下, 我们分析了系统总效率、背景噪声, 以及Hanbury Brown-Twiss(HBT)与Double HBT测量方法对反聚束光场g20测量的影响, 并讨论了误差为零处相应量子态的g20值和平均光子速率。

在实验上重构了从准周期到相干塌陷混沌激光的相空间Wigner准概率分布函数，为混沌保密通信中熵源的精确表征提供了重要依据。通过调控偏置电流和光反馈强度制备了准周期（带宽为3.2 GHz）、中等强度（带宽为7.3 GHz）、相干塌陷状态（带宽为11.5 GHz）的混沌激光，进而利用平衡零拍量子层析测量及最大似然法重构了获得的三种不同状态的混沌激光的密度矩阵及相空间Wigner准概率分布，测得的混沌激光相空间Wigner准概率相较于真空散粒噪声极限增大了1.5~3.0倍。同时，在重构测量过程中，去除背景噪声并对现有实验测量系统的损耗进行补偿，三种状态混沌激光相空间Wigner准概率分布的测量保真度分别从74.9%、81.2%、84.8%显著提升到95.5%、97.0%、97.6%。

为了实现量子随机数实时安全高速后处理，在实验上利用平衡零拍探测将采集得到的量子真空噪声中的4个相互独立的高频边带模式作为熵源，在单通道240 MSa/s采样率、16位模数转化条件下进行四路并行提取，并在现场可编程门阵列（FPGA）中完成多路实时Toeplitz-Hash安全高速后处理。实现了大规模Toeplitz矩阵分解及多周期分布处理，从而保证了硬件的稳定运行；研究了不同矩阵规模和通道数下安全后处理的硬件资源占有率，最终在四路Toeplitz-Hash后处理条件下，实现了FPGA逻辑资源占有率为62%、实时速率为10.44 Gbit/s的量子随机数生成。每两路通道之间量子随机数的互相关和互信息分别在10^-3和10^-6以下，且合并输出的量子随机数通过了NIST、Diehard和TestU01测试，为其在高速保密通信的实际应用中提供重要支撑。

量子点微柱激光器由于微米量级的模式体积和特有的动力学输出特性，为光子集成及保密通信等应用提供了一个良好的研究平台。利用外腔光反馈的量子点微柱激光器产生双模混沌光场，研究分析了光反馈量子点微柱激光器在不同电流及反馈强度条件下的强弱模式竞争、时延特征及有效带宽的变化。结果表明：模式竞争较强时，即在强弱模分叉明显的电流区间，强弱模的输出功率差会随着强弱模反馈强度的增加先减小后增大；强弱模输出混沌光场的有效带宽随着强弱模反馈强度的增加呈现出先增加后减小之后再增加的变化，在泵浦电流为13 μA，强弱模反馈强度分别为4 ns^-1和3 ns^-1时，强弱模输出混沌光场的有效带宽增至首个峰值，分别为8.91 GHz和8.49 GHz；随着强弱模反馈强度的增加，强弱模输出混沌光场的时延特征峰值也呈现出先增加后减小之后再增加的变化，在泵浦电流为13 μA，强弱模反馈强度分别为16 ns^-1和14 ns^-1时，强弱模输出相干塌陷混沌光场的时延特征峰值分别降至最低，为0.083和0.092，且对应的有效带宽为11.31 GHz和11.02 GHz。

利用非平衡光纤干涉系统,理论分析且实验测量了光反馈强度变化过程中,光场不同状态即相干光、相干与混沌的混合光及混沌光的光子互相关,并实现了对上述光场的区分。研究分析了不同状态光场的二阶光子互相关随着延迟时间和相干时间的变化,结果表明:相干光的二阶光子互相关g^(2x)(τ)只在零延迟处存在极小值且为0.5;混沌光g^(2x)(τ)只在对称延迟处存在两个极大的峰值且为1.25;相干与混沌的混合光g^(2x)(τ)不仅在零延迟处存在极小值,而且在对称延迟处存在两个极大的峰值,同时随着混沌光所占比例的增大,g^(2x)(τ)延迟对称处的峰值从1增至1.25,零延迟处的g^(2x)(0)由0.5增至1,表明此时混合光场正由相干光向混沌光过渡。实验上测量了无反馈时,相干光的二阶光子互相关g^(2x)(τ)并获得光场的相干时间为65 ns;反馈强度在2.5%时,测得混沌激光的g^(2x)(τ)并得出混沌光占比75%,及相应的相干时间0.7 ns;反馈强度为18%时,测得相干塌陷混沌光的g^(2x)(τ)及其相干时间0.8 ns。理论与实验结果符合良好。表明该方法可明确区分不同混沌占比状态下的光场及对应的相干时间,为进一步揭示及监测输出光场的量子统计特性提供了理论和实验基础。

利用外腔反馈的半导体激光器产生的混沌激光作为熵源,理论模拟和实验研究了不同强度和带宽的量子噪声注入对混沌激光熵含量的增强效果,利用反馈时延τ_ext、τ_ext/2和τ_ext/3处的排列熵均值,量化了混沌激光的复杂度,并利用不同维度排列熵增,判别了混沌噪声的主导过程。实验上通过平衡零拍探测系统制备了量子散粒噪声,测量了100,300,500 MHz不同量子噪声带宽注入下混沌激光熵增随量子噪声强度的变化。结果表明,窄带量子噪声可有效提高宽带混沌激光的熵含量,强度为15 dBm、带宽为100 MHz的量子噪声将3.8 GHz带宽的混沌激光熵值增至0.998,随着量子噪声强度的增大,混沌激光的熵含量增至最大时的量子噪声带宽降低,并获得噪声主导的混沌激光熵源。

针对目前串行量子随机数发生器方案中, 量子模式提取的信号带宽与数据处理速率之间的权衡在实时产生速率方面造成了瓶颈, 文章利用现场可编程门阵列(FPGA)对多个量子边带模式的并行托普利茨(Toeplitz)哈希实时后处理, 研究分析了不同规模Toeplitz矩阵的逻辑资源占用, 设计了两层并行流水线算法并进行了仿真验证, 充分利用FPGA的并行处理优势和硬件资源, 最终实现了实时速率8.24 Gbit/s的量子随机数安全后处理。仿真结果表明, 量子随机数发生器的熵源具有较好的随机性, 经后处理后的随机数自相关系数保持在10-4量级且能通过Diehard测试。通过与集成电路匹配并行提取多个量子边带模式, 实现了一种可商业化的高鲁棒性、高速实时量子随机数发生器。

针对当前量子随机数产生技术无法满足通信领域中安全性和高速率的问题, 文章提出了一种基于测量光场真空起伏产生量子真随机数的实验方案。与以往报道的实验方案所不同, 文章理论分析,量子随机数生成系统中量子正交分量测量中本底光增益对原始随机数中相对量子熵含量的影响, 在经典噪声完全被窃听方控制的最差情况假定下, 采用量子条件最小熵量化评估原始随机数的随机性。基于理论分析实验中通过相对增强本底光强的同时控制电子学增益, 经典电子噪声独立地放大真空噪声分量起伏, 提高了系统中量子噪声引入的最小熵含量, 同时, 基于真空量子噪声是宽带高斯白噪声, 有效提升频带提取带宽, 提高量子熵源的利用率,在提高量子随机数生成系统安全性的同时提高了量子随机数的产生速率。实验结果表明, 基于安全性信息论可证明的托普利茨-哈希(Toeplitz-hash)提取器, 实现了6.7 Gbit/s 的量子随机数产生, 同时利用 Nist、Diehard 和 TestU01-SmallCrush 3种随机数标准测试验证了该方案下生成的量子随机数的真随机性, 为真空量子随机数发生器产生速率的提高提供了新的途径。

实验从时域上研究了切割超连续谱实现实时、高速全光量化的方案。利用光滤波器件对不同强度的光采样脉冲产生的超连续谱进行光谱分割, 从而实现对光采样脉冲的实时量化。具体来讲, 重复频率为10 GHz的光采样脉冲经功率放大后耦合到400 m的高非线性光纤中产生超连续谱, 采用3个可调谐的光滤波器对其进行不同波长的光谱切割, 实现采样率为10 GSa/s、量化精度为2 bit的实时全光量化, 量化后脉冲时序的消光比可达10 dB以上。