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量子信息科技的发展现状与展望

物理学报 2024年第1期73卷 1-8页

作者：潘建伟中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心合肥230026 中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院合肥230026

20世纪初,以原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术发明为标志性成果的第一次量子革命,促进了物质文明的巨大进步,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌.自20世纪90年代以来,量子调控技术的巨大进步,使... 详细信息

20世纪初,以原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术发明为标志性成果的第一次量子革命,促进了物质文明的巨大进步,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌.自20世纪90年代以来,量子调控技术的巨大进步,使得以量子信息科学为代表的量子科技突飞猛进,标志着第二次量子革命的兴起.量子信息科技包括量子通信、量子计算、量子精密测量等方面,为保障信息传输安全、提高运算速度、提升测量精度等提供了革命性解决方案,可为国家安全和国民经济高质量发展提供关键支撑.经过近30年的发展,我国在量子信息科技领域整体上已经实现了从跟踪、并跑到部分领跑的飞跃,在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位;在量子计算方面牢固占据国际第一方阵;在量子精密测量的多个方向进入国际领先或先进水平.当前,需要根据国家战略需求和国际竞争态势,做好未来5—10年我国在量子信息领域的发展重点研判,率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系.

关键词：量子通信量子计算量子精密测量

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利用重力梯度张量等位面曲率的地质体定位

地球物理学报 2024年第4期67卷 1641-1655页

作者：胡双贵李广汤井田侯振隆张林成中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221008 东华理工大学南昌市地质灾害智能感知技术与仪器重点实验室南昌330013 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学) 长沙410083 东北大学资源与土木工程学院沈阳110819 湖南城市学院信息与电子工程学院湖南益阳413002

针对重力梯度张量曲率的研究,前人的工作主要集中在重力张量曲率的解释及边缘检测中,几乎没有涉及到地下密度异常体的定位.本文结合重力矢量和重力梯度张量提出了一套基于重力梯度张量等位面曲率的地下密度异常体位置估计策略.首先,从... 详细信息

针对重力梯度张量曲率的研究,前人的工作主要集中在重力张量曲率的解释及边缘检测中,几乎没有涉及到地下密度异常体的定位.本文结合重力矢量和重力梯度张量提出了一套基于重力梯度张量等位面曲率的地下密度异常体位置估计策略.首先,从重力梯度张量等位面曲率的基本定义出发,计算重力梯度张量等位面曲率.然后,通过寻找球面或圆形等位面的重力梯度张量曲率,提出了利用最大主曲率定位地下密度异常体位置的源参数估计方法,并详细推导了估计3D球体(质点)和2D水平线源位置信息的解析表达式.再者,针对噪声和多源存在的情况,提出了一套利用重力梯度张量等位面曲率获得密度异常体位置信息的稳健估计流程,并利用模糊C均值聚类算法进一步确定地下密度异常体的中心位置.最后,通过理论模型测试和文顿盐丘实测航空重力梯度数据测试,验证了本文算法的可行性和可靠性.结果表明:在满足曲率半径定义条件的情况下,本文所提出的源参数估计方法可以定位单个或多个地下3D和2D密度异常体的空间位置,具有较好的稳健性和抗噪能力.该方法拓展了重力梯度张量曲率的应用范围,可为重力梯度张量的三维反演工作提供先验的空间位置信息.

关键词：重力梯度张量等位面曲率源参数估计模糊C均值聚类算法

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光激发下水体系的超快动力学

物理学报 2024年第8期73卷 22-44页

作者：贾韫哲孟胜中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心北京100190 中国科学院大学物理科学学院北京100049 松山湖材料实验室东莞523808

近年来,实验技术和理论计算在实现超快时间尺度的分辨以及对于原子尺度微观细节的解析上都有了突破性进展,对于水体系的超快微观动力学也带来了更多新的认识.本文将视角集中于水分子、水团簇以及液态水在不同强度的光激发下产生的电离... 详细信息

近年来,实验技术和理论计算在实现超快时间尺度的分辨以及对于原子尺度微观细节的解析上都有了突破性进展,对于水体系的超快微观动力学也带来了更多新的认识.本文将视角集中于水分子、水团簇以及液态水在不同强度的光激发下产生的电离、解离甚至等离子体化的过程,总结了人们在前沿工作中获得的有关水体系原子尺度超快动力学的知识.特别地,围绕光电离实验探讨了阿秒尺度的电离延迟以及水分子Feshbach共振理论分析;围绕液态水的解离过程探讨了水合电子产生、空穴的定域化等重要过程,补足了液态水解离完整过程的微观图像;围绕水的等离子体化介绍了通过含时密度泛函等方法计算得到的水在强激光脉冲作用下转变为等离子体状态的过程与机制,总结了在极高电子温度下水的特殊电子结构的相关知识.这些讨论将给出当前人们看待水的激发态的相对全面的视角.

关键词：光激发水超快动力学激发态

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基于可重构硅光滤波器的计算重建片上光谱仪

物理学报 2024年第14期73卷 34-42页

作者：张赞黄北举陈弘达长安大学电子与控制工程学院西安710018 中国科学院半导体研究所光电材料与器件重点实验室北京100083 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

相比于笨重的台式光谱仪,集成化的芯片级光谱仪可以应用于便携式的健康监测、环境检测等场景.我们设计了一个基于硅光子平台的片上光谱仪.该器件由一个透射光谱可重构的硅光滤波器构成.通过改变滤波器的透射光谱,可以实现对输入光谱的... 详细信息

相比于笨重的台式光谱仪,集成化的芯片级光谱仪可以应用于便携式的健康监测、环境检测等场景.我们设计了一个基于硅光子平台的片上光谱仪.该器件由一个透射光谱可重构的硅光滤波器构成.通过改变滤波器的透射光谱,可以实现对输入光谱的多次且不同的采样.再结合人工神经网络算法,从采样后的信号中重建出入射光谱.可重构的硅光滤波器由互相耦合的马赫曾德干涉仪和微环谐振腔组成.采用集成的热光相移器引入相位变化,能够对滤波器的透射光谱进行重构.通过这种方式,基于单个可重构滤波器可得到包含宽、窄光谱多样特征的响应函数.不需要滤波器阵列,就可以实现对入射光谱的多样化采样,能够显著地减小光谱检测器件的面积.仿真结果表明,所设计的器件在1500—1600 nm波长范围内可以实现连续光谱和稀疏光谱的重建,分辨率约为0.2 nm.该器件在可穿戴光学传感、便携式光谱仪等场景中具有巨大的应用潜力.

关键词：计算光谱重建可重构硅光滤波器深度学习光子集成回路

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空间外差遥感数据光谱-干涉图双向校正算法研究

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 963-968页

作者：王新强王祯梁秋裕熊伟李志伟叶松甘永莹王方原桂林电子科技大学光电工程学院广西桂林541004 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 广西光电信息处理重点实验室广西桂林541004 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室安徽合肥230031

空间外差光谱技术(SHS)作为新型高光谱分析技术,被广泛应用于大气检测、卫星遥感等领域,但由于空间外差光谱仪的制作不理想或工作环境的变化都会改变仪器参数而引入误差,使干涉图数据不准确,需要进行误差校正。在卫星平台下,由于与地面... 详细信息

空间外差光谱技术(SHS)作为新型高光谱分析技术,被广泛应用于大气检测、卫星遥感等领域,但由于空间外差光谱仪的制作不理想或工作环境的变化都会改变仪器参数而引入误差,使干涉图数据不准确,需要进行误差校正。在卫星平台下,由于与地面环境的巨大差异,导致地面测定的校正参数对空间外差干涉图数据不再适用,特别是调制项误差(相位误差和非均匀误差)的改变,极大影响了光谱的准确性。针对空间外差遥感数据的调制项误差,从光谱与干涉图两个方面入手,进行误差分离与原因分析,认为空间外差遥感数据误差主要来源于CCD尺寸伸缩导致的光谱频率变化和CCD响应改变导致的干涉图强度变化,提出了光谱-干涉图双向校正方法。校正测试数据选取高分五号搭载检测仪(GMI)实测的12条O 2吸收光谱。取其中一条作为标定光谱,以SCIATRAN仿真的无误差光谱为基准,与标定光谱进行对比,分析两者在光谱维的频率偏差,通过特征峰频率确定两者的频率变换关系。然后根据变换关系将仿真光谱进行频率拉伸,使拉伸后的仿真光谱与实测光谱谱峰重合,计算拉伸仿真光谱与实测光谱干涉图,将两者干涉图相比得到干涉图强度的变化关系。最后将干涉图强度变化关系用于其余11条光谱的校正,得到校正后光谱。为了衡量校正效果,以校正前后光谱的标准差、均方误差和信噪比作为评价指标。结果显示标准差、均方误差都明显降低,同时信噪比显著增大,且标准差基本都在0.07以下,信噪比基本能达到20以上。其中校正效果最好的实测光谱,标准差减少了0.3767,信噪比提高了25.1016,均方误差降低了0.1587,校正效果较差的实测光谱,标准差减少了0.2296,信噪比提高了9.6328,均方误差降低了0.1049。因此所提出的光谱-干涉图双向校正方法对空间外差遥感数据的误差校正起到较好的效果,且处理过程简单,为同类数据的处理提供了一种新思路。

关键词：空间外差遥感误差校正光谱谱峰频率干涉图强度幅值

实验室光源的微束X射线荧光成像系统研制及应用研究

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1061-1066页

作者：张文星陶芬刘一邓彪上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093 中国科学院上海应用物理研究所上海光源中心上海201800 中国科学院上海高等研究院上海光源中心上海201204

微束X射线荧光成像(μ-XRFI)是无损获取样品内部元素微区分布信息的重要方法,主要应用于微米量级区域内的元素分辨成像。同步辐射是μ-XRFI的理想光源,由于其装置庞大、造价高昂,用户机时紧张,并不适宜于常规应用。基于实验室X射线光管... 详细信息

微束X射线荧光成像(μ-XRFI)是无损获取样品内部元素微区分布信息的重要方法,主要应用于微米量级区域内的元素分辨成像。同步辐射是μ-XRFI的理想光源,由于其装置庞大、造价高昂,用户机时紧张,并不适宜于常规应用。基于实验室X射线光管、多毛细管聚焦镜、高精度样品台及硅漂移探测器,研制了一套具有元素分辨的μ-XRFI系统,性能测试结果表明该系统可以测量分析元素含量为0.001%量级的溶液样品和优于20μm的空间分辨能力。基于该μ-XRFI系统开展了应用研究,获得了小鼠脑、芯片及古代陶瓷样品中的多种主要元素及微量元素的空间分布,结果表明该系统可满足μ-XRFI的需求,可为生物医学、电子元件检测、瓷器色彩成分鉴定等领域研究提供帮助。

关键词：实验室X射线光管多毛细管聚焦镜荧光成像元素分辨

小尺度靶丸冲击波调控的冲击波测量技术优化及应用

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物理学报 2024年第12期73卷 267-276页

作者：杨为明段晓溪张琛理玉龙刘浩关赞洋章欢孙亮董云松杨冬王哲斌杨家敏中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳621900 中国工程物理研究院等离子体物理全国重点实验室绵阳621900

激光聚变研究中,冲击波调控技术是实现靶丸压缩过程的熵增调谐,保证高性能内爆的关键实验技术.本文在十万焦耳激光装置上首次实现了0.375 mm半径小尺度内爆靶丸下双台阶辐射驱动的高精度冲击波调控实验测量.针对小靶丸下任意反射面速度... 详细信息

激光聚变研究中,冲击波调控技术是实现靶丸压缩过程的熵增调谐,保证高性能内爆的关键实验技术.本文在十万焦耳激光装置上首次实现了0.375 mm半径小尺度内爆靶丸下双台阶辐射驱动的高精度冲击波调控实验测量.针对小靶丸下任意反射面速度干涉仪(VISAR)诊断有效反射区域不足的问题,通过建立的球形反射面VISAR图像光强的理论计算方法,提出了利用锁孔(keyhole)锥反射效应提升VISAR诊断空间区域的实验技术路线,使得小靶丸尺度下有效VISAR数据区域提升了近3倍.在实验中首次获得了整形内爆实验条件下低温液氘靶的冲击波测量实验数据,实现了高精度冲击波调控实验测量.实验发现,小时空尺度内爆设计条件下,由于反射冲击波的作用,激光参数的较小偏差都会对冲击波追赶后的传输行为产生显著影响,揭示了我国当前小靶丸尺度下高性能整形内爆物理过程中冲击波传输的多因素敏感性,以及冲击波调控实验对于内爆设计验证的重要性.本文提出的小靶丸冲击波调控实验技术,不仅为我国十万焦耳激光装置上整形脉冲下熵增调谐实验的开展提供了技术基础,也对基于球汇聚压缩的超高压物理研究具有重要意义.

关键词：惯性约束聚变冲击波调控整形激光任意反射面速度干涉仪

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基于像素梯度自适应迭代中值滤波器的图像脉冲噪声抑制算法

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红外与毫米波学报 2024年第3期43卷 421-434页

作者：金祥博王跃明中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

图像脉冲噪声移除是获得高质量图像的关键。本文通过热红外相机成像原理研究,提出了一种基于像素梯度自适应迭代中值滤波器的图像脉冲噪声抑制算法。首先,根据相机的调制传递函数计算获取原始图像的最大像素梯度,继而建立相应的像素梯... 详细信息

图像脉冲噪声移除是获得高质量图像的关键。本文通过热红外相机成像原理研究,提出了一种基于像素梯度自适应迭代中值滤波器的图像脉冲噪声抑制算法。首先,根据相机的调制传递函数计算获取原始图像的最大像素梯度,继而建立相应的像素梯度集合。然后,计算原始图像与对应像素梯度滤波图像的梯度权重均方根误差集合,并将该集合高斯分布的最大值对应的像素梯度确定为最佳像素梯度。最后,根据图像中脉冲噪声的密度和复杂度,确定所提滤波器的自适应窗口大小和迭代次数。大量实验结果表明,所提滤波器对移除8位、16位的单通道脉冲噪声图像展现出良好的鲁棒性。与其他先进方法相比,该方法可以实时移除真实热红外相机采集图像中低密度的随机值脉冲噪声和SAPN,并实现噪声抑制过程中99.5%以上的原始像素不会遭受破坏。除此之外,针对高密度SAPN抑制,该方法获得了具有竞争力的结果,与运行时间较快的滤波方法相比表现出较好的 PSNR和 SSIM,与 PSNR和 SSIM较优秀的去噪方法相比表现出较快的运行时间。对于极限 SAPN(99%)破坏的图像,也能够恢复有意义的图像细节。

关键词：图像去噪自适应迭代中值滤波器像素梯度调制传递函数脉冲噪声

铱衬底上金刚石外延形核与生长:第一性原理计算

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无机材料学报 2024年第4期39卷 416-422页

作者：王伟华张磊宁丁峰代兵韩杰才朱嘉琦贾怡杨宇中国航天科技创新研究院北京100176 北京理工大学化学与化工学院北京102488 中国科学院深圳先进技术研究院碳中和所/材料所深圳518055 哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室哈尔滨150001 北京控制工程研究所北京100190

异质外延为金刚石晶圆合成提供了一个有效的实现路径,而Ir衬底上金刚石形核生长技术经过20多年的发展已经有能力制备最大直径为3.5英寸的晶体,开启了金刚石作为终极半导体在电子信息产业应用的大门。然而,表面形核、偏压技术窗口、金刚... 详细信息

异质外延为金刚石晶圆合成提供了一个有效的实现路径,而Ir衬底上金刚石形核生长技术经过20多年的发展已经有能力制备最大直径为3.5英寸的晶体,开启了金刚石作为终极半导体在电子信息产业应用的大门。然而,表面形核、偏压技术窗口、金刚石外延生长等一系列发生在异质衬底上的问题都需要从生长热力学的角度给予解释。本研究针对化学气相沉积气氛中金刚石如何实现外延形核与生长这一关键问题,利用第一性原理计算从原子尺度对金刚石形核生长过程展开了系列探究。研究结果如下:C原子在Ir衬底表面位点吸附比在体相位点吸附更稳定,表明无偏压条件下金刚石形核只能在衬底表面发生;离子轰击作用下非晶氢化碳层中sp3杂化C原子个数随着离子动能的增加呈现先增大后减小的变化规律,证实了金刚石高密度形核存在一定的离子动能与偏压大小窗口;金刚石沿着Ir衬底外延生长时界面结合能最低(约为–0.58 eV/C),意味着界面结合能是决定外延形核生长的主要热力学因素。本研究阐明了偏压辅助离子轰击促进金刚石单晶外延生长的热力学机制,对于指导金刚石及其他碳基半导体生长具有重要意义。

关键词：金刚石异质外延形核生长第一性原理结合能