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- Vol.73 No.22
2024年11月20日
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不确定性原理限制了观察者对两个不相容可观测量的精确测量能力, 在量子信息科学领域的量子精密测量中扮演着重要角色. 本文研究关联退相位有色噪声通道下两量子比特系统的量子存储支撑熵不确定关系, 结合通道连续使用间的关联性和动力学演化中的非马尔科夫性调控熵不确定度及其下限. 分别选取最大纠缠态和可分离态作为系统的初态, 通过调节关联强度和非马尔科夫性发现: 完全关联通道可以最大程度地抑制退相干, 降低熵不确定度及其下限, 此时非马尔科夫效应不发挥作用; 部分关联通道与非马尔科夫效应结合可以在演化中某些时刻更有效地降低熵不确定度及其下限; 长时间演化后, 系统的熵不确定度及下限达到稳定值, 且稳定值只与通道的关联强度有关, 通道的关联性越强, 稳态的熵不确定度及下限越低. 最后分析熵不确定性及其下限降低的物理本质, 发现熵不确定度及其下限的降低源于系统量子关联的增加.
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近几十年, 量子信息物理极大地促进了量子理论的现代发展, 并在通信、计算、计量等方面展现了巨大的应用前景. 理论基础之一是通用量子计算模型理论, 用于描述量子信息的演化特别是其大规模的应用, 也是算法和纠错码等设计的基础. 本文着重从物理的角度介绍近期在通用量子计算模型上的研究, 结合量子资源理论对量子信息的刻画, 发展了能统一描述不同计算模型的理论框架. 研究发现, 结合通用性和容错性的要求, 可以构建模型的分类表, 它包含上百种不同的通用量子计算方案, 其中多数尚未得到深入研究. 本文重点讨论了在通用性方面即针对信息不同表示形式的四个家族的模型, 其中一类模型是近期提出的量子冯·诺依曼架构, 它可以绕开在量子程序存储和量子控制单元上的不可能定理, 从而构建可量子编程的计算机体系. 另外还探讨了量子芯片与算法设计、量子资源与优势等问题. 本研究展现了通用量子计算模型研究的丰富性和复杂性, 也为量子计算机的建造和量子信息的应用提供了更多的可能.
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量子存储是大尺度量子网络的重要组成部分, 基于波导等微纳结构的可集成量子存储可以提供更好的可扩展性并实现更低的光电能耗. 在众多量子存储候选介质中,151Eu3+:Y2SiO5晶体具有长达6 h的自旋相干寿命和1 h的相干光存储时间, 成为长寿命存储的优异候选材料. 本文通过聚焦离子束在151Eu3+:Y2SiO5晶体表面加工出三角形悬梁臂波导, 波导截面的边长为2 µm, 长度为20 µm, 并对三角形悬梁臂波导中的151Eu3+离子的7F0—5D0光学跃迁以及7F0基态的超精细跃迁开展了研究. 结果显示, 在2 µm尺度的悬梁臂波导中151Eu3+离子基本保持了和块状晶体中151Eu3+离子一致的跃迁展宽及相干寿命, 可以支持量子存储任务的实现. 该工作为实现纳米尺度的151Eu3+离子可集成量子存储器以及单个151Eu3+离子的探测打下基础.
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引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波, 通过探测引力波可以使得人类从另一个角度去观测宇宙. 在空间引力波探测的过程中, 惯性传感器中的检验质量会受到太空环境中粒子和射线的作用而积累电荷, 影响了引力波探测的精度, 因此需要对检验质量上的电荷进行控制, 即开展电荷管理. 在以往的电荷管理系统中应用紫外汞灯和紫外(UV) LED作为光源, 取得了不同的效果. 本文主要综述了空间引力波探测中电荷管理系统的紫外光源研究进展. 汞灯作为第1代系统光源, 虽能完成任务, 但有着启动慢、功耗高等缺点. UV LED凭借其体积、功耗等方面的优点, 逐步成为目前电荷管理系统的光源. 近年来, 随着紫外微型LED (UV micro-LED)技术的成熟, 其较高的外量子效率和良好的可靠性展示出应用于电荷管理系统的潜力, 是未来电荷管理系统可选择的紫外光源之一.
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国际单位制的重新定义促进真空计量体系向量子化转变, 真空参数的量子化是国际真空测量学领域目前最具引领性、前瞻性和颠覆性的研究方向之一, 量子真空测量是基于微观粒子体系的量子效应, 利用光学手段和量子力学理论实现真空参数的精密测量. 本文通过自主研制的冷原子真空测量装置操控7Li原子, 利用锂冷原子在磁光阱和磁阱中的逃逸损失特性开展了超高真空测量实验研究, 结果表明, 针对N2, Ar, He, H2四种真空常用气体分子, 在3×10–8—4×10–5Pa真空范围,7Li冷原子真空测量的不确定度最大为7.6%—6.0% (k= 2),7Li冷原子的真空反演结果与传统电离真空计的测量结果具有良好的一致性, 其相对灵敏度因子的最大偏差小于8%, 验证了冷原子量子真空测量的准确性和可靠性, 研究成果对促进全新跨代真空测量技术发展, 满足空间科学探测、超精密测量与高端装备制造等需求具有重要意义.
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本文主要研究铯原子Λ型三能级原子的部分PT对称和相变, 利用铯原子基态$\left| {6{{\mathrm{S}}_{1/2}}, F = 3} \right\rangle $、$| 6{{\mathrm{S}}_{1/2}}, $$ F = 4 \rangle $和激发态$\left| {6{{\mathrm{P}}_{3/2}}, F' = 4} \right\rangle $组成Λ型三能级原子系统, 由失谐Δ3= 607 MHz的探测光与耦合光形成双光子拉曼吸收, 构成损耗通道. 增加了共振作用于能级$\left| {6{{\mathrm{S}}_{1/2}}, F = 3} \right\rangle $与$\left| {6{{\mathrm{P}}_{3/2}}, F' = 4} \right\rangle $跃迁的泵浦光改变两个基态能级的布居, 从而使Λ型三能级系统的吸收减小, 在一定条件下形成原子系统的增益通道, 从而构成部分PT对称的原子系统. 实验中通过改变耦合光和探测光的腰斑比σ, 观察到部分PT对称系统中由对称向破缺相的转变. 此外研究了探测光束强度分布的不对称程度Dasym, 精确地测量了部分PT对称的破缺点, 理论计算与实验测量结果相符. 本文所报道的部分PT对称性及其相变的结果, 为主动操纵非厄米系统中的多维激光束开辟了一条途径, 并在设计激光不同部分的光放大和衰减光学器件方面具有潜在的应用价值.
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超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合, 能够实现高时空分辨率下光诱导表面电荷动力学的可视化研究, 对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测具有非常重要的意义. 本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的研制工作, 阐述了将热发射电子枪改造成光发射电子枪后的参数化设计, 定量分析了偏压, 阴极、韦氏极、阳极的空间位置与交叉点位置、大小、发散角的依赖关系. 分析结果显示, 当韦氏极与阳极位置从8 mm调整到23 mm后, 通过将灯丝深度从0.65 mm调整至0.45 mm, 配合偏压调节可以实现热发射高分辨成像、低工作电压以及光发射的正常使用. 此外, 也分析了反射镜分布对电子光路的影响, 发现当阳极高出反射镜1.4 mm后, 图像畸变几乎消失. 还研究了偏置电压对脉冲光电子在时域上的影响, 结果表明随着偏压的增大, 光发射的时间零点会推后且时间展宽变大. 这些工作将为后续超快电子显微镜的发展及光发射电子源的设计奠定基础.
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在选择合适的活性空间和基组、考虑各种物理效应(标量相对论效应、核–价电子关联效应、完备基组极限和自旋–轨道耦合效应)的基础上, 本文利用优化的icMRCI+Q方法获得了X3Σ–/a1Δ/b1Σ+/A3Π/c1Π(OH+)←X2Π(OH)精确的电离能、OH+离子14个Λ-S态和相应的27个Ω态势能曲线. 利用全电子icMRCI/cc-pCV5Z + SOC理论获得了6个Ω态[$ {{{\mathrm{X}}}}{}^3\Sigma _{{0^ + }}^{{ - }} $, $ {{\text{X}}^{3}}{{\Sigma }}_{1}^{{ - }} $, (1)2, (2)2, (2)1和(1)0–]之间的跃迁偶极距. 并且本文获得的电离能、光谱和振动–转动跃迁数据与现有的测量值符合得非常好. 研究发现: 1) (1)2(υ'= 0—6,J'= 2, +)的辐射寿命随着υ'的增大而逐渐缩短, 辐射宽度随着υ'的增大而逐渐增宽; (1)2(υ'= 0—6,J'= 2, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'',J''= 1, –)自发辐射较弱. 2)(2)2第一势阱(υ'= 0—2,J'= 2, +), (2)1(υ'= 0—9,J'= 1, +)和(1)0–(υ'= 0—8,J'= 0, +)的辐射寿命都是随着υ'的增大而逐渐增长, 辐射宽度都随着υ'的增大而逐渐变窄; (2)2第一势阱(υ'= 0—2,J'= 2, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'',J''= 1, –), (2)1(υ'= 0—9,J'= 1, +)– $ {\text{X}}{}^{3}{{\Sigma }}_{{{0}^ + }}^{{ - }} $(υ'',J''= 1, –)和(1)0–(υ'= 0—8,J'= 0, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'',J''= 1, –)的自发辐射很强. 3) (2)2第一势阱(υ'= 0—2, +), (2)1(υ'= 0—9, +)和(1)0–(υ'= 0—8, +)的辐射寿命都是随着J'的增大而逐渐增长. 本文数据集可在科学数据银行数据库
https://www. doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00058
中访问获取(数据集私有访问链接
https://www.scidb.cn/s/B7buIr
).
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基于Pancharatnam-Berry相位原理和相变材料VO2的复合相位调控机制, 设计了一种波束转向可控的反射型超表面. 基于Pancharatnam-Berry相位原理对超表面单元顶层结构进行旋转编码, 获得所需的相位梯度, 而超表面VO2层绝缘态-金属态的转换, 可使预设超表面的相位梯度改变, 进而改变反射波束的转向. 仿真测试结果表明: 当VO2处于绝缘态时, 在1.1—2.0 THz工作频段内, 超表面可使垂直入射的圆极化波以特定的角度出射, 其反射效率大于80%; 当VO2处于金属态时, 对于同一超表面的相同工作频段, 超表面将入射的太赫兹波镜面反射, 反射效率接近100%. 这一设计对未来太赫兹反射波束调控领域具有潜在的应用价值.
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如何对复杂功率超声换能器耦合振动系统的声波进行调控, 设计高性能的换能器系统, 一直都是功率超声领域亟待解决的难题. 研究发现, 在换能器系统内部引入各种缺陷, 可以在一定程度上改善换能器耦合振动系统的性能. 但损耗大、频带窄、对结构参数敏感等缺点限制了缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的进一步实际应用. 为了改善缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的局限, 有效降低能量损耗, 提高能量传输的效率, 本文在换能器耦合振动系统内引入既具有能量局域化效应的拓扑缺陷结构, 又具有高能量传输效率的声表面结构. 通过灵活设计声表面结构和拓扑缺陷的几何尺寸参数, 可以对换能器耦合振动系统的振动进行有效调控, 从而满足换能器耦合振动系统功能方面的不同需求. 但表面结构和拓扑缺陷结构的设计参数过多, 会成倍地增加设计的复杂度, 大幅降低设计成功率, 为此, 利用数据分析技术建立了系统性能预测模型, 不仅可以提高设计效率和成功率, 还能够为换能器耦合振动系统性能的调控提出客观和准确的依据.
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