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1.
隐匿危险品高准确度太赫兹光谱识别方法
曾子威 , 李宏光 , 郭宇烽 , 廖文焘
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 340-348. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.005
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爆炸物等危险品的分子振动和转动能级在太赫兹频谱段具有独特的指纹谱特性, 且太赫兹波对非极性物质 及介电材料有较强的透过性及低能性, 因此利用太赫兹光谱可以实现障碍物隐匿复杂环境下的危险品无损探测。目 前各种相关材料的太赫兹吸收光谱标准库并不完善, 且市面上各类太赫兹光谱仪硬件参数不同、检测标准不统一, 导 致单纯依赖特征吸收峰的识别方法并不可靠。针对上述问题, 提出一种不依赖于吸收峰准确性的物质识别技术路 线: 提取物质在不同频率分辨率、不同障碍物隐匿情况下的太赫兹吸收谱, 利用Marr小波变换在频域上展开得到具 有特征唯一性的小波频域尺度图, 建立样本集; 其次, 结合迁移学习方法, 利用Xception网络对样本集进行训练识别。 实验结果表明, 此方法可以很好地对不同障碍物隐匿环境中的危险品进行分类识别, 识别准确率可达94%。说明此 方法的识别准确性不受系统频率分辨率即吸收谱精确度等系统因素影响, 为邮件及快递包裹等障碍物隐匿危险品无 损检测、定性识别提供了一种新的技术思路。
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2.
可调谐太赫兹超材料吸波器研究进展
张若雅 , 朱巧芬 , 张 岩
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 301-318. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.002
摘要
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313
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太赫兹超材料吸波器具有吸收强、厚度薄、质量轻等优点, 已被广泛应用于隐身材料、频率选择表面、太赫兹 成像、通信传感等方面。但是, 基于金属结构的传统太赫兹超材料吸波器一旦完成加工后, 它的吸收性能是固定不变 的。为解决这一问题, 研究人员通过引入活性超材料设计了可调谐太赫兹超材料吸波器。结合可调谐太赫兹超材料 吸波器的国内外研究现状, 分类阐述了几类典型的可调谐太赫兹超材料吸波器, 重点对单频带、多频带、宽频带以及 可切换双功能太赫兹超材料吸波器的相关研究工作进行了梳理与总结, 并对其未来发展趋势进行了分析。
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3.
全固态瓦级 388 nm 紫外连续激光器
钱龙龙 , 沈 咏 , 刘 曲 , 邹宏新
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 392-399. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.011
摘要
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采用自行研制的776.9 nm半导体激光器作为种子源, 经过锥形半导体放大器并整形后得到2.3 W的基频光, 再利用Ⅰ类相位匹配的三硼酸锂晶体和蝶形倍频腔产生了388.4 nm紫外连续激光。分析了锥形放大器中热透镜效 应对光束质量的影响, 并通过透镜、柱面镜、棱镜对光束进行整形, 提高了倍频腔的输入耦合效率。进一步通过优化 倍频腔的束腰尺寸和腔参数, 提高了紫外激光二次谐波的转换效率。最终2.3 W的基频光产生940 mW的紫外倍频 光输出, 倍频效率达到41%。
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4.
基于激光诱导击穿光谱的果木炭燃烧对空气成分影响的研究
费晔, 孙仲谋, 田东鹏, 刘骁源, 刘玉柱,
量子电子学报 2023, 40 (
4
): 436-446. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.04.002
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251
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果木炭是一种常见的燃料, 其燃烧过程中产生的气体和烟尘气溶胶会影响环境空气质量并损害人体健康, 因此对果木炭燃烧过程中空气成分进行检测与分析具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术对果木炭燃 烧时的空气、烟尘气溶胶进行检测, 同时检测果木炭及其燃烧灰烬作为辅助分析。对四种样品的谱线进行标定, 发现 果木炭燃烧时空气中碳浓度增大, 生成的气溶胶中含有Ca、Mg、K、Si 等元素。果木炭和灰烬的元素组成较为相似, 均含有C、 Fe、 Mg、 Ca、 Sr、 K、 Na 和Ba 等元素, 果木炭光谱中C、H 元素谱线强度均高于灰烬。此外, 结合机器学习 算法对有无果木炭燃烧时的空气进行区分, 选取C、CN 分子特征谱线所在的波段作为聚类分析的原始特征。主成分 分析 (PCA) 结果表明在有无果木炭燃烧两种条件下的空气能被较好地区分, 证明LIBS 结合PCA 技术能有效地识别 果木炭的燃烧并检测果木炭燃烧造成的空气污染。进一步利用 LIBS 结合机器学习算法对果木炭及其燃烧灰烬进行 区分, 发现区分效果良好, 为果木炭燃烧后的回收利用提供了参考。
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5.
分布式量子计算研究进展
王升斌, 窦猛汉, 吴玉椿, 郭国平, 郭光灿
量子电子学报 2024, 41 (
1
): 1-25. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2024.01.001
摘要
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245
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量子比特的高效拓展是量子计算获取量子加速优势需要解决的基本问题, 分布式量子计算 (DQC) 因其高度 可行性和灵活性, 成为解决量子比特拓展问题的关键技术之一。根据芯片间通信方式的不同, 分布式量子计算可以 分为基于量子隐形传态和基于量子线路拆分的分布式量子计算两种类型, 前者主要面向容错量子计算, 而后者被认 为可在中等规模含噪声量子 (NISQ) 时代有效提升量子计算机算力。从长远角度来看, 作为量子网络的主要应用之 一, 分布式量子计算可以更好地整合接入量子网络的海量量子计算机以解决高难度问题。首先介绍了分布式量子计 算的来源和类型, 在此基础上, 给出了两类分布式量子计算的基本原理和发展状况, 以及关注度较高的应用算法和编 译优化方法。
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6.
基于肖特基二极管单片集成芯片的 340 GHz 收发链路
张明浩, 董亚洲, 梁士雄
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 369-375. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.008
摘要
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232
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针对太赫兹通信及成像等系统对高集成度射频收发链路的需求, 在自主研制的太赫兹肖特基二极管的基础 上, 建立了器件的精确模型, 设计并制备出基于二极管的倍频/混频单片集成芯片, 解决了传统二极管装配难度大、一 致性差的难题, 提高了器件的性能。成功研制出170 GHz、340 GHz倍频器和340 GHz混频器模块, 并且开发出集成 化的340 GHz发射与接收链路。发射端一体化模块实现了342 GHz功率为22 mW的输出, 接收端一体化模块实现了 330~350 GHz单边带变频损耗在10 dB上下。该模块的开发为未来太赫兹通信及成像技术的应用奠定基础。
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7.
基于 IRIV-SA 的乙烯 FTIR 光谱波数优选
张梦思 , 鞠 薇 , 程志友 , 任慧东
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 383-391. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.010
摘要
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218
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利用傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 技术能够对有机物的成分及含量进行快速无损测量。作为重要的有机化 工原料, 乙烯在塑料、醇类和纤维等大宗化学品的制造中有着广泛的应用, 但同时由于其易挥发性, 乙烯对环境和人 体有着潜在的危害。为提高FTIR技术检测乙烯浓度模型的精度, 综合迭代保留信息变量法 (IRIV) 和模拟退火算法 (SA) 的优点, 提出了改进的IRIV-SA红外光谱波数优选算法。该方法在IRIV算法稳定选取大量光谱特征波数的基 础上, 利用SA进一步筛选少量有效特征波数, 从而降低模型复杂度, 提高有机物光谱检测精度。实验首先利用IRIVSA对乙烯红外光谱的浓度进行波数选取, 最终获取的特征波数由全光谱的271个变量降低至 5 个变量, 再利用特征 波数进行建模, 结果表明其验证集相关系数、均方根误差为0.9989和0.3943, 预测集相关系数、均方根误差为0.9978 和0.6652, 较全光谱建模精度有大幅提高。为进一步验证该算法的有效性, 同时建立IRIV、SA、CARS (自适应重加权 采样算法)、SPA (连续投影算法) 以及IRIV-CARS、IRIV-SPA波数选取模型对相同数据集进行对比实验, 比对结果表 明IRIV-SA算法优于上述 6 种波数选取方法, 是一种更有效的特征波数优选方法。
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8.
稀土正铁氧体晶体的太赫兹光学调控研究
武安华 , 赵向阳 , 尚加敏 , 申 慧 , 苏良碧 ,
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 293-300. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.001
摘要
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213
)
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正交钙钛矿结构RFeO3系列稀土正铁氧体材料是一类在近红外波段透明的铁磁材料, 关于RFeO3的超快自 旋重取向及其相干控制的研究近年来成为相关领域的研究热点。由于固态材料的磁化振子和电子自旋共振能谱等 基本性质的“ 元激发” 能量均在太赫兹能量范围内, 得益于太赫兹技术的发展, 近年来利用太赫兹超快光学调控 RFeO3晶体中不同离子间的交换相互作用、磁各向异性自旋-声子耦合等也取得了一系列突破, 对磁学的基础研究具 有重要意义。结合笔者近几年的研究进展, 总结了国内外RFeO3晶体太赫兹光学调控研究情况, 并对该类晶体的超 快光磁研究进行了展望。
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9.
太赫兹平面环偶极子超材料传感器及地沟油检测
徐建伟 , 欧阳收剑 , 段守鑫 , 邹林儿 , 邓晓华 , 沈 云 ,
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 333-339. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.004
摘要
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207
)
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利用镜像对称的方形双开口环结构设计制备了一款太赫兹环偶极子超材料传感器, 该传感器在1.436 THz 处产生Q 值为16.8的透射谐振谷。谐振频率处结构表面电流分析表明, 该结构能在抑制电偶极子和磁偶极子的同时 迅速增强环偶极子。作为生物传感器, 该器件在分析物厚度饱和时灵敏度高达348.8 GHz/RIU, 可以高灵敏感测表面 介电环境的微小变化。实验结果验证了其对标准食用油和劣质地沟油的良好分辨性, 表明该器件在食品安全监测等 方面有着潜在的应用前景。
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10.
双波长锁模光纤激光器研究进展
刘梦媛, 齐瑶瑶, 白振旭, 张 雨, 王静静, 丁 洁, 王雨雷, 吕志伟,
量子电子学报 2023, 40 (
5
): 615-634. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.05.001
摘要
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205
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261
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随着超大容量光通信的发展,密集波分复用技术被广泛采用。该技术需要稳定的高重复频率超快脉冲序列 作为信号源,若采用多个单一波长输出的锁模激光器作为激光光源,系统的成本和复杂性将显著提高;而双波长锁 模激光器因具有双波长输出、脉冲持续时间短、光束质量好和可调谐范围宽等优点,可有效满足超大容量光通信所 需信号源的要求。此外,该光源在光谱学、微波产生等领域也均有应用。双波长锁模光纤激光器可利用双谐振腔结 构、二维材料的高非线性以及腔内滤波效应等设计实现,其中腔内滤波效应可通过在激光谐振腔内插滤波器件、多 模干涉和非线性效应如非线性偏振旋转三种方式引入。目前双波长锁模光纤激光器的输出波长主要在1 μm和1.5 μm波段的光谱区域,输出功率为mW量级,未来将向实现输出中红外或更长工作波段以及瓦级输出功率方向发展。
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11.
深紫外飞秒激光脉宽测量
张艳琳, 游利兵, 王宏伟, 王琪, 胡泽雄, 范军, 方晓东,
量子电子学报 2023, 40 (
4
): 469-475. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.04.005
摘要
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196
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119
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为准确测量193 nm 深紫外飞秒激光的脉冲宽度, 基于氟化钙的双光子荧光效应, 设计并搭建了用于紫外飞 秒激光脉冲的脉宽测量系统。双光子荧光信号强度与入射激光光强的平方依赖关系证明了获得双光子荧光信号的 可靠性。利用插入法进行了CCD 探测系统的数值标定, 获得单像素对应的时间尺度为7.35 fs。单脉冲测量下, 得到 193 nm 深紫外飞秒激光的脉宽为476.1 fs, 与利用光谱法进行测量计算得到的结果基本吻合。
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12.
基于宽度学习的太赫兹光谱图像小麦霉变识别研究
葛宏义 , 王 飞 , 蒋玉英 , 李 丽 , 张 元 , 贾柯柯 ,
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 360-368. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.007
摘要
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191
)
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小麦质量安全是粮食安全的重要组成部分。传统的小麦霉变籽粒识别检测方法需要复杂的处理步骤, 耗时 较长且特征提取能力较差, 易造成图像有效信息的丢失, 导致小麦霉变籽粒识别检测效果不佳。为解决上述问题, 提 出了一种基于去噪宽度学习 (D-BLS) 的霉变小麦太赫兹光谱图像识别方法。该方法对传统宽度学习 (BLS) 算法进 行了改进, 通过引入去噪卷积神经网络 (DnCNN) 模块, 构建D-BLS霉变小麦分类识别模型, 以增强图像质量, 提高 霉变小麦太赫兹光谱图像的识别精度。初步研究表明, D-BLS在识别准确率方面优于传统BLS算法, 识别准确率达 到93.13%。进一步使用支持向量机 (SVM)、后向传播神经网络 (BPNN)、卷积神经网络 (CNN) 与D-BLS进行建模对 比。研究结果表明, D-BLS网络的分类准确率分别比SVM、BPNN和CNN高出了13.83%、7.79%和3.96%。因此, DBLS 能够为小麦发霉早期鉴别提供一种新方法。
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13.
THz-ATR 技术检测生物医学样品的研究进展
王海青 , 施 卫
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 319-332. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.003
摘要
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190
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183
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太赫兹衰减全内反射 (THz-ATR) 光谱法含水样品检测技术具有无标记、无电离以及检测灵敏度高等优点, 在疾病标志物的定性识别和定量检测方面具有很大的应用潜力, 尤其对重大疾病的早期诊断和分阶段诊疗具有非常 重要的现实意义。在简要介绍THz-ATR技术检测含水样品基本原理的基础上, 通过分析与对比, 详细探讨了不同辐 射源的THz-ATR光谱检测技术在生物医学检测方面的应用, 最后简要归纳了THz-ATR光谱检测技术的研究现状及 未来发展趋势。
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14.
移动焦平面正反面曝光制备 SU-8 微结构及 PDMS 浓度梯度产生器
陈启明, 傅仁轩, 徐勇军, 刘益标, 周金运, 宋显文
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 415-422. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.014
摘要
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187
)
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针对芯片实验室对浓度梯度产生器(CGG)的需求, 为制作侧壁垂直的CGG, 提出了一种移动焦平面正反面 曝光制备SU-8光刻胶微结构的方法。该方法根据焦深将SU-8厚度分成多层, 每曝光一次焦面向下移动一层, 当曝光 层数达到总层数一半时将样品翻转, 同样采用移动焦面重复曝光的方式使SU-8内部形成光化学反应通道, 得到充分 曝光。最终利用SU-8微结构制作出聚二甲基硅氧烷 (PDMS) CGG。测试结果表明: SU-8微结构实际轮廓侧壁垂直, 没有出现“ T” 形结构, 沟道高度为49.4 μm; PDMS CGG侧壁垂直, 沟道深度为49.3 μm, 满足CGG侧壁垂直要求。
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15.
光子辅助太赫兹通信技术研究进展
李小军, 王迪, 龚静文
量子电子学报 2023, 40 (
4
): 423-435. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.04.001
摘要
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186
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面对互联网时代呈指数增长的全球数据流量, 超高速通信的发展需求日益迫切, 太赫兹通信因拥有巨大的可用 带宽资源, 成为下一代超高速无线通信关键技术之一。太赫兹通信系统分为电子学与光子辅助两种类型, 其中后者在通 信速率、频率灵活调控、与光纤接入网无缝融合等方面具有独特优势。首先介绍了典型光子辅助太赫兹通信系统的基本 原理, 在此基本原理框架下, 梳理了系统中信号生成与接收、多维复用以及概率整形等技术的研究进展, 并探讨了该类通 信系统需要进一步解决的问题。
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16.
单光子探测器制冷系统研究
吕海燕 , 洪占勇 , 杜先常 ,
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 400-406. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.012
摘要
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168
)
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负反馈雪崩光电二极管是一款单片集成负反馈电阻的砷化镓铟雪崩光电二极管光子计数器件。在基于负 反馈雪崩光电二极管的单光子探测器中, 高灵敏度的制冷系统是保障其正常工作的必备条件。采用被动制冷和主动 制冷相结合的方式, 设计了一套高灵敏度制冷系统。通过理论计算、仿真和实测该制冷系统, 表明该系统内部功耗降 低58.63%, 且在室温25 o C和高温65 o C环境下, 该系统均能使负反馈雪崩光电二极管工作温度控制在 (−20 ± 0.3) o C, 具有环境适应性强、制冷温差大、制冷温度可控等优点。
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17.
相关向量机结合主成分分析应用于 LIBS 技术定量分析
张冉冉 , 应璐娜 , 周卫东
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 376-382. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.009
摘要
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165
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采用相关向量机 (RVM) 结合主成分分析 (PCA) 建立了激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术检测土壤中Cr元素 含量的定量分析模型。配制了14个不同Cr元素浓度的土壤样品, 选取其中10个作为训练样品集用于构建模型, 另 外4个作为测试样品集用于模型性能评估。结果表明, 对于土壤中Cr元素含量的测量, PCA-RVM模型的预测精度 明显优于RVM模型, 整体预测均方根误差由RVM模型的8.00%减小到PCA-RVM模型的3.21%, 预测精度提高了 59.9%。对测试样品集中全部4个待测样品, PCA-RVM模型多次重复预测结果的相对标准偏差相较于RVM模型都 显著减小, 且均小于1.89%, 表明其预测结果具有更好的稳定性。
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18.
E91-QKD 中集体攻击上限的研究
贾 玮 , 张强强 , 卞宇翔 , 李 威
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 407-414. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.013
摘要
(
153
)
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安全性分析是实用化量子密钥分发 (QKD) 协议中不可或缺的一部分, 它不仅可以用来表征外界的窃听能 力, 还可以为系统的密钥率提供安全的范围。量子通道攻击能力的表征是QKD安全性分析的主要内容, 其中集体攻 击被认为是最强大的量子通道攻击之一。构造了由两体耦合作用和正定算子测度 (POVM) 构成的广义的集体攻击 操作, 给出了E91-QKD相对于集体攻击的安全性分析。仿真结果显示, 在集体攻击下窃听者与通信方之间的互信息 要小于基于纠缠纯化协议所提供的界限, 因此系统的密钥率和对误比特率的容忍度有了显著的提升。所提出的安全 性分析将为实用化QKD的密钥率提升提供一个解决途径, 且该方法可与其他实验方法兼容。
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19.
α-乳糖一水合物太赫兹动力学研究
白岩冰, 张梦圆, 朱梦琪, 李 旭, 闫佳玉, 张存林, 左 剑,
量子电子学报 2023, 40 (
3
): 349-359. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.03.006
摘要
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151
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α-乳糖一水合物是一种重要的水合物, 其结合水对乳糖分子结构的影响一直是相关领域的研究热点之一。 利用太赫兹时域光谱技术通过设置温度梯度对α-乳糖一水合物进行低温下的太赫兹动力学研究, 发现α-乳糖一水合 物在1.2 THz、1.3 THz的2个吸收峰随温度变化而红移。为进一步探究其吸收峰的产生机理, 基于密度泛函理论对α 乳糖一水合物分别进行了单分子和晶胞理论计算并分析了α-乳糖一水合物的吸收峰振动模式。结果表明, α-乳糖一 水合物的吸收峰来源于水分子和乳糖分子间的相互作用以及乳糖分子骨架振动, 晶胞计算比单分子计算对于太赫兹 波段内振动模式的预测更加准确。
参考文献
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20.
基于发射和吸收光谱技术测量OH 浓度变化 受OH 生成条件的影响
刘珂 , 黄晓东 , 庞山彪 , 邱选兵 , 李传亮 , 邓伦华
量子电子学报 2023, 40 (
5
): 635-643. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5461.2023.05.002
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139
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羟基自由基(OH)在大气化学反应、燃烧和等离子体中都具有诊断作用。以水汽及其混合气体为母体, 通过 辉光放电产生含OH 的等离子体, 同时测量OH 吸收和发射光谱强度随OH 生成参数的变化。高能电子碰撞解离水 汽分子是产生OH 的主要途径, 在母体分子气压较低时, OH 的发射光谱和吸收光谱强度都随水汽浓度增加而增加, 且两种光谱技术测得OH 浓度变化趋势一致。然而, 当母体气压超过一定阈值时, 气压持续增加会降低电子能量, 减弱水汽分子的解离, 从而导致OH 吸收光谱强度随母体气压增加而减小。以纯水汽为母体分子时, 压力增加产生 的碰撞致使OH 的A 态布居增加, 观测到OH 发射光谱随水汽压力增加而缓慢增加。但含氮气母体分子中氮氧化物 分子会与OH 碰撞并发生反应, 导致OH 发射光谱强度随母体气压增加而减小。
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