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引用 中国量子技术再获突破 实现世界最佳单光子源 中国专家谈单光子探测技术:千里外就可发现F-22 中国科大实现世界最高保真度固态量子存储器  

2013-05-16 15:07:49|  分类: 第三次工业革命来 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本报讯(记者蒋家平)2月4日,英国《自然》子刊《自然—纳米技术》以长文形式,发表了中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等人关于量子点脉冲共振荧光确定性高品质单光子源的研究工作。这是我国量子点光学量子调控领域发表在《自然》系列期刊上的第一篇论文。

量子点是一种通过分子束外延方法制备的纳米晶体,又被称为“人造原子”,可以为量子保密通信和光学量子计算提供理想的单光子源。此前,美国加州大学、斯坦福大学和英国剑桥大学等研究组实现了基于非共振激发量子点产生的单光子源。然而,由于单光子发射时间抖动、激子退相干等,不可避免地引起光子品质下降,光子全同性只能达到70%左右,无法进一步应用于可扩展量子信息处理。

要发展能够真正实用化的光量子信息技术,关键技术之一是实现确定性的高品质单光子源。为此,微尺度物质科学国家实验室的潘建伟、陆朝阳等在国际上首次发展了一套新颖的量子点脉冲共振光学激发、多重滤波技术,显著消除了消相干效应,解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题。

实验产生的单光子源信噪比超过300:1,二阶关联函数小于1.5%,光子全同性优于97%,这些技术指标使得中国在这一领域的研究跻身世界前列,为可扩展光学量子计算和基于自旋的固态量子网络的实现奠定了基础。审稿人称赞这是一个“令人惊喜的高质量实验”。  



中国专家谈单光子探测技术:千里外就可发现F-22

单光子探测器能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可对单个光子进行探测和计数,在信号强度仅为几个光子能量级的条件下,单光子探测器的作用十分巨大。(资料图)

光子,是光的最小能量量子。单光子探测技术,是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术,其原理是利用新式光电效应,可对入射的单个光子进行计数,以实现对极微弱目标信号的探测。有关专家认为,单光子探测技术能将现有的机载光电探测距离从几十公里提高到几千公里,势必带来机载目标探测系统的革命,极大地改变未来空天战场的作战方式。

隐身飞机将无处“隐身”。F-22、B-2等飞机高超的隐身性能,几乎使现役雷达和光电探测系统变成“瞎子”。但单光子探测系统极高的探测灵敏度,即使对F-22、B-2这样的隐身飞机,作用距离也可达到几百到几千公里,可在极远距离上发现隐身飞机,使其“无处遁形”。

空战将从“中距”拉向“远距”。配装单光子探测系统的作战飞机,由于对空目标探测距离极远,将使空中作战从目前的中距进一步扩为远距。如:配挂单光子超远程空空导弹,火力攻击距离可达到几百到几千公里之外。空中战争将从传统的几十公里的超视距作战变为间隔几千公里的非接触战争。

“全球感知,全球打击”成为可能。利用空中平台或临近空间平台配装单光子探测系统,构建单光子探测网络,只需几部单光子探测系统就可实现对领空的全域覆盖。在此基础上用地面或空中远程导弹构建空中地面联合火力网,把单光子探测网络作为网络中心战的目标探测网络系统,可对任何位置(地面或空中)发射的导弹进行目标指引,有效攻击全球目标,实现“全球感知,全球打击”。(曾尧 徐文)

单光子探测技术,极大提高了传感器的灵敏度,使一些以往难以涉及的观测领域向人类开放,在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等方面有很高价值。图为单光子探侧技术的部分应用原理图。(资料图)

目前,仅有美国、瑞士、中国实现了单光子探测器的批量生产。下图为应用单光子探测技术在325米距离上进行三维扫描,以检查目标被隐藏的一些细节。(资料图)

新一代医疗器械、成像系统、电信设备等都要求极高的信噪比,但现有传感器的灵敏度难以达到最佳需要,而单光子传感器达到极低的背景噪音水平,从而极大提高了传感器的探测效率。(资料图)

新一代战机配备的光电探测系统(IRST)是可不受隐身能力影响,直接发现隐身战机,但IRST探测距离仅有几十公里,无法匹敌雷达,但单光子探测技术将加大扭转这个情况。图为最先采用IRST技术的苏-27战斗机。(资料图)

新一代战机为抗衡隐身战机,已普遍装备了IRST装置。图为装备IRST的歼-10B(资料图)

改进行“台风”和F-35也新装备了IRST装置,以抗衡对手的隐身战机。(资料图) 


中国科大实现世界最高保真度固态量子存储器

新华网合肥5月12日电(记者詹婷婷)记者12日从中国科学技术大学获悉,中国科大郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组,在固态系统中首次实现单光子偏振态的量子存储器,保真度达99.9%,刷新世界纪录。

量子存储器是量子信息领域的核心器件之一,是量子隐形传态、量子密集编码等基本量子信息过程的必需元件。同时,它还可用来实现量子中继,以解决远程量子通信中的信息损耗问题,以及用于分布式量子计算、量子精密测量等。

据介绍,国际上常用的量子存储器,如冷原子、玻色-爱因斯坦凝聚等,存在带宽窄和扩展性差等缺点,难以应用于实用化的量子网络。近几年兴起的基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器,具有寿命长、稳定性高、带宽较宽、扩展性强等优点,但由于这种晶体有双折射效应,不能用光的偏振状态(光波的振动状态)来加载信息,而光的各种偏振态是量子信息最方便的载体。因此,怎样实现光子偏振态的固态量子存储器是国际学术界一大难题。

李传锋小组利用两块1.4毫米厚的掺钕钒酸钇晶体,分别处理光的两种正交偏振态,同时把一片特殊设计的光学元件(波片)置于两块晶体之间,来实现这两种偏振态的互换。整个量子存储器就像一片很小的“三明治”,紧凑而稳定,扩展和集成都十分方便。

在实验中,他们摈弃了传统的固态量子存储方案中使用的“共线式”光路,设计出交叉式光路,使得预处理用的泵浦光与待存储的光不再重合,降低了泵浦光带来的噪声,从而极大地提高了存储器的保真度,可达99.9%,远高于此前单光子偏振存储95%的最高保真度。

李传锋说,该成果对进一步提高实用化量子通信网络元件的小型化和集成化具有重要意义。同时,该超高保真度量子存储可应用于容错量子计算等具有苛刻要求的研究领域。

该研究成果5月11日发表在美国《物理评论快报》上,并被美国物理学会网站“物理概要”栏目作亮点报道。

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