量子态层析和量子过程层析是刻画量子态和量子操作过程准确度的基本工具。本文主要对编码于二能级铯原子的单量子比特及其单量子操作进行了相关实验研究,对编码在铯原子钟态的量子态(-i|0〉+|1〉)2进行了量子态层析分析,得到其保真度为097±002。我们还对单量子比特的门操作Rx(π)、Rxπ2、Ry(π)、Ryπ2、Rzπ2进行了量子过程层析测量,得到量子门操作的平均保真度为096±003。我们对影响单比特态及其操作过程的保真度的因素进行了分析。

利用热纠缠态表象求解密度算符主方程方法,考虑双模压缩真空态中的一模经过激光过程衰减的情况,给出了双模压缩真空态在该过程中密度算符的演化规律。采用数值计算方法,讨论了一模的衰减和压缩参数变化对态的压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等量子特性的影响。研究结果表明:随耗散时间增大,光场的压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等特性都逐渐减弱,直至消失。另一方面,随双模压缩参数增大,压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等量子特性均增强。

本文基于与各自的两层环境相互作用的两量子比特系统,详细考察了强、弱耦合体系下第二层环境的腔个数N和两层环境间的耦合系数κ对量子导引动力学的影响,研究发现:随着N和κ的增加,量子导引不仅可以出现振荡现象,而且存活时间和量值都能得到一定程度地提高。为了抑制环境退相干,我们还讨论了量子弱测量和测量反转操作对量子导引动力学的调制作用,结果表明弱测量方法可以有效地保护量子导引。

单光子探测激光测距是实现远距离高精度测距的一种重要方法。由于白天的背景噪声约为夜晚的100万倍,传统的单光子探测器白天极易饱和甚至损坏,单光子探测激光测距在白光背景噪声环境中非常难识别微弱的回波信号。本文发展了一种基于FP标准具滤光的单光子探测激光测距装置,采用532 nm窄带干涉滤光片和线宽为10 pm的FP标准具进行二级滤光,并且通过压电旋转台驱动FP标准具,使其中心波长与激光波长锁定,保持最大的透过率。该测距装置有效地降低了白光背景噪声,采用PMT单光子探测器,在532 nm波段实现了白天单光子探测激光测距。在实验中,阳光照度为1.1×104 lx时,背景光噪声计数被抑制到900 kcps,探测距离为14 km时,信噪比可达16 dB。

针对连续变量量子密钥分发系统数据协调过程中效率偏低而造成的密钥量不易提取的问题,本文引入PEG(Progressive-edge-growth)算法构造合适度分布的LDPC校验矩阵,译码时采用LLR-BP译码算法。仿真结果表明,相同度分布下PEG方法构造出的校验矩阵比传统Mackay方法构造出的校验矩阵在译码时,能够更快达到收敛,并且在码率为05,码长为105时,PEG协调方案协调效率达到934％,提取到的安全密钥量为541 kb／s,信息传输距离为445 km。

提出了基于光子轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的多用户量子身份认证协议。协议首先以光子OAM编码分布式网络节点,网络节点与子服务器之间共享光子OAM纠缠态。可信中心以相位因子分组网络用户,以OAM的纠缠特性实现不同光子OAM的隐形传态。协议利用量子信息保证了认证系统的安全性,以光子OAM实现了网络系统的多用户的同时认证。当OAM态具备两个正交极化方向时,拓扑态的拓扑荷值为li(i=1,2,…,4)时,身份认证系统的量子认证效率可提高2×li倍。

我们在一个循环四能级相干原子系统中,理论研究了抽运场与调制场强度对信号场增益的作用。研究表明,在循环四能级相干原子介质中,调制场改变了四个能级间的粒子数布居分布,导致信号场被增益放大。对于N型四能级原子系统,当加入微小的调制场(调制场强度与信号场相等)时,共振处信号增益峰值提高了12倍。相干抽运场诱导信号场放大,且改变抽运场强度可以实现信号场由对应粒子数反转增益到无粒子数反转增益。且随着抽运场强度增加,共振增益的取值先变大后变小。该循环系统在光放大及增益效应研究中可能有重要应用。

采用明尼苏达密度泛函(M06-2X)在6-31G(d)的基组水平上对C6F12O分子在不同外电场强度(0000a.u.～ 0040a.u.)下进行了计算。分析了不同外电场下基态的分子结构、原子电荷布居、偶极矩、分子总能量。然后利用TD-DFT方法研究了各电场下C6F12O分子的激发态激发能、波长、振子强度和紫外-可见吸收光谱(UV-vis)。结果表明分子的基态和激发态性质与外电场呈依赖关系。随着外电场的增强,分子总能量逐渐减小,偶极矩增大。分子的激发态能总体上减小,C6F12O分子变得容易激发。C6F12O分子由基态跃迁到激发态光子吸收波长总体增大,且主要集中在紫外区域。激发态的振子强度部分增加部分减少,变化复杂。UV-vis光谱随着外电场的增加,在无外电场时曲线上132 nm和162 nm出现的2处吸收峰均发生红移。

CN自由基在碳化物的燃烧过程中一直扮演着重要的角色。采用量化计算方法对CN自由基进行了从头计算。首先利用Hartree-Fock自洽场方法进行轨道计算,再使用完全活性空间自洽场对轨道进行优化,然后采用多参考组态相互作用的方法计算了在006到07 nm的核间距范围内CN自由基3个低激发态(X2Σ+,A2Π和B2Σ+)的势能曲线。为了进一步提高计算的精度,考虑相对论效应选择aug-cc-pV5Z-dk相关一致基组。求解径向薛定谔方程,得到了各电子态振-转能级的能量和振-转常数,并拟合获得这些电子态的光谱常数(Te,Re,ωe,ωeχe,Be,αe)及Franck-Condon因子,其与实验结果基本一致。同时,计算CN自由基A2∏-X2∑+的跃迁偶极矩,并得到5个低振动能级的辐射寿命τ和振子强度f00。计算获得辐射寿命为～4 μs,与实验测量结果符合较好,为研究燃烧过程中动力学行为提供了理论依据。

使用单束强聚焦的基模高斯光束可以构建光镊装载原子。虽然光镊一般选择远离原子共振跃迁线的激光,但是光镊的强度起伏仍然会导致原子逃逸,这样原子在光镊中的俘获寿命问题就变得至关重要。本实验以声光频移器(AOM)为主要元件,并施加外部反馈控制电路抑制937.7 nm波长光镊频域上的强度噪声以及时域上的功率起伏,降低光镊对原子的参量加热,从而有效延长原子在光镊中的俘获寿命。典型的频域噪声抑制带宽17 kHz, 噪声强度抑制10 dB,时域内激光强度起伏可以从峰峰值起伏±1350％抑制到±0036％,有效地降低了光镊的强度起伏。实验结果表明我们可以将937.7 nm波长光镊中单个铯原子俘获寿命从200 ms延长至1 180 ms.为后续原子内态的制备、激发等操作提供充足的时间,保证原子处于俘获状态,提高了实验成功率,缩短了实验时长。

基于包含可变参数增益的四分量耦合非线性薛定谔方程,采用Hirota双线性方法,获得了三亮一暗的二孤子解及其渐近极限,并详细地讨论了二孤子解的传输特性,结果表明:合理选择参数,可以获得二孤子解的弹性碰撞、非弹性碰撞和束缚态传输等情况。

在基于NV量子信息实验台上,我们需要对金刚石NV色心施加特定序列的微波射频脉冲信号。为了将特定序列的微波射频脉冲信号作用在样品上,我们利用具有损耗低、无截止频率等特点的槽线设计了一种新型平面电路辐射结构,能够将经过调制的微波射频脉冲信号转化为交变微波场,并作用在金刚石NV色心上,进而实现量子态调控。本设计基于的原理是利用传统槽线作为主传输线,T型槽线作为功分结构,Ω型圆环作为辐射结构,将主传输线中的一部分功率流馈入Ω型圆环内,辐射出较强的微波场。对比传统的光刻微纳工艺方法,本设计利用激光刻蚀及电化学镀铜工艺方法实现了辐射结构的低成本制作。通过网络分析仪等仪器设备测试后,该辐射结构目前已应用到基于NV量子信息实验台中,在高频28 GHz和低频71 MHz工作频率附近分别取得了约448 Gauss和4849 Gauss大小的交变磁场。

针对电子斜入射透过石墨烯的问题,以石墨烯层作为势垒,假设势垒宽度为D,势垒高度为V0,电子从左往右穿过石墨烯层,能量分别设为E1、E2、E3,其中E1＞E2＞E3;利用薛定谔方程,通过波函数和其一阶导数在x=0和x=D处的连续性条件,进行求解得到斜入射时电子穿过石墨烯的透射率;运用Matlab绘制不同宽度下的透射率,发现透射率的高低与入射角度无关,只与能量有关;入射能量越高,穿过势垒后的能量越大,即透射率越高,同时,势垒宽度越窄,透过的能量也越高;入射能量为 07倍势垒高度时,透过1倍、2倍、3倍隧道效应长度的透过率分别为势垒高度的555％, 320％和152％。

室温条件下高浓度的NV－ 色心系综的相干时间受到较高浓度顺磁杂质和杂质自旋的影响,限制着其高灵敏磁传感的实现. 为了增加NV－ 色心系综的相干时间,本文对系综的动力学解耦(DD)过程进行研究. 在外部磁场为４０ G 的条件下,通过连续光学磁共振光谱技术(CWＧODMR),首先确定电子自旋态|ms＝０＞→|ms＝±１＞共振跃迁对应的微波频率;构建脉冲控制序列,观测不同微波功率条件下系综NV－色心自旋电子态|ms＝０＞→|ms＝ ＋１＞ 的相干Rabi振荡,获得最优功率的π脉冲作用时间;基于典型的CPMGＧn 控制序列,研究最优脉冲作用下不同π脉冲个数的DD过程. 在最大输入微波功率为１??３０mW 的条件下,获得的π 脉冲长度为２８??８ns;结合CPMGＧ３２控制脉冲序列,系综的典型相干时间由３７２(３)ns提升至８??７(１)μs. 该研究结果为后续高灵敏量子磁检测的实现奠定了实验基础.

本文通过热传导方程建立了激光晶体在进行主振荡功率放大时的内部温度空间分布模型。在此基础上,比较了单端泵浦与双端泵浦行波放大装置激光晶体热分布的情况,得出了双端泵浦较单端泵浦在热效应上具有一定优势的结论。并且,我们对双端泵浦行波放大装置中的各项参数进行了优化,在分析了双端泵浦主振荡功率放大的激光晶体及泵浦源参数对热分布影响的基础上,设计了掺杂原子数百分比浓度为02％,长度19 mm的激光晶体及腰斑为650 μm的泵浦源,获得了一个激光晶体内热分布较为均匀的双端泵浦行波放大装置。

基于空间模式的干涉,tilt-locking技术为稳定激光频率或锁定光学谐振腔提供了一种灵活便捷的方法。在本文中,对tilt-locking技术进行了修改并进行了实验演示。该方法使用非谐振的一阶空间模式TEM01模作为相位参考,并利用TEM01模式和TEM00模式的干涉进行光学腔的锁定。在光学腔的反射光路中添加障碍物以阻挡反射光束的一半。反射光束的通过的一半由单像素光电探测器而不是分离探测器来检测,以导出用于将光学腔的TEM00模式谐振频率锁定到激光频率的误差信号。利用此方法可以将光学腔稳定锁定4 h。

理论研究了LD端面泵浦全固态连续单纵模3 μm激光器的输出特性。基于对Er:YAG激光器的能量过程的分析,建立了考虑晶体热效应影响的速率方程模型,讨论了晶体控温温度、掺杂浓度、晶体长度、泵浦-振荡激光模式匹配比率、输出镜透射率、单向器插入损耗等参数对连续单纵模3 μm激光输出特性的影响,为高功率连续单纵模3 μm激光光源的设计和优化提供了理论依据。

为了便于连续变量量子光学实验研究,我们设计了基于微控制器(MCU)的自动锁定控制系统,可以用于光学模清洁器腔长的自动锁定。该系统利用模数转换识别信号,通过MCU完成相关数据分析和计算,再由数模转换完成信号输出,实现了系统的自动锁定,而且在失锁发生后,系统能自动切换工作模式,实现模清洁器的重新锁定,完成重新自动锁定所需时间基本小于01 s,其锁定之后激光功率波动小于1％。