西安邮电大学通信与信息工程学院（人工智能学院），陕西 西安 710121
核方法在机器学习中有广泛的应用。量子计算与核方法结合，可以有效解决经典核方法中当特征空间变大时计算成本随之增加的问题。研究表明，基于核方法构建的最小化量子电路可以可靠地在含噪声的中型量子设备上执行。目前已提出的一些基于量子核方法的分类器在充分映射数据以及电路架构等方面仍存在一定的缺陷。因此，提出了一种基于多项式核函数的紧凑型量子分类器。首先通过引入多项式核函数，提升了非线性数据的分类迭代速率，从而提升了分类效率；在此基础上进一步提出紧凑型振幅编码，将量子态相对应相位的数据标签编码。相比于已有的量子核方法分类器，所提模型的量子电路的编码位数可以从5个量子比特减少到3个量子比特，而且，所提模型将已有方法中的双量子位测量简化为单量子位测量。此外，该模型在测量阶段的量子电路参数达到了最优方差，可以有效节省计算资源开销。实验仿真表明，所提分类器模型中的期望值更接近理论值，且获得了更高的分类精度，同时该模型具有较低的纠缠度，有效降低了整个准备工作的开销。
量子信息处理 核方法 紧凑型振幅编码 纠缠度 激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0927002
1 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院大珩量子调控协同创新中心，黑龙江 哈尔滨 150080
2 中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室，安徽 合肥 230026
目标边缘增强上转换探测是一种通过非线性光学手段将红外（或太赫兹等）长波目标图像“上转换”到可见光波段的同时，强化目标图像几何边缘特征的新型上转换探测技术。基于准相位匹配的近红外上转换系统，理论结合实验进一步深入研究了泵浦空间复振幅结构对上转换目标图像特征的影响。通过比对研究定量分析了振幅带通滤波与螺旋相衬对目标图像边缘特征的增强效果，以及各自量子效率的差异。基于研究结论，针对几种典型场景给出了若干可实施的应用建议。
非线性光学 边缘增强 空间复振幅调制 上转换探测 傅里叶光学 平顶涡旋光束
1 重庆理工大学两江人工智能学院，重庆 401135
2 国防科技大学理学院物质与材料科学实验中心，湖南 长沙 410073
提出了一种超分辨波长调控变焦超透镜的设计方法，同时对相位、色散、振幅进行调控，在提升超透镜轴向变焦能力的基础上，采用分层粒子群优化（HPSO）算法不断压缩超透镜的点扩散函数，使超透镜的半峰全宽（FWHM）不断逼近甚至小于衍射极限0.5λ/NA（NA为数值孔径）。作为理论验证，设计了一种工作在68~80 μm波长范围内的超分辨波长调控变焦超透镜。仿真结果表明，其轴向变焦能力约为常规衍射超透镜的1.52倍，在73~78 μm波长范围内的横向分辨率小于衍射极限。
光学设计 超透镜 波长调控光学变焦 振幅调控 分层粒子群优化算法 超分辨 光学学报
2023, 43(23): 2322001
1 复旦大学 通信科学与工程系 电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433
2 鹏城实验室，广东 深圳 518055
3 上海低轨卫星通信与应用工程技术研究中心，上海 200433
4 上海市低轨卫星通信技术协同创新中心，上海 200433
水下可见光通信（UVLC）具有高传输速率、大容量、低延时和低成本等优势，已成为水下通信领域可行且很有吸引力的替代方案，应用前景广阔。然而，UVLC性能受到带宽、各种线性或非线性效应等瓶颈问题的局限。为了缓解这些问题，文章研究了基于几何整形的振幅移相键控（APSK）调制和编码映射，提出了基于双向循环神经网络（BRNN）的波形级后均衡器。此外，文章还提出了用基于深度神经网络（DNN）的波形到符号接收机来代替传统的匹配滤波、下采样和后均衡等操作。实验表明，与传统接收机相比，基于BRNN后均衡电压动态范围提升了170 mV（69%），基于DNN的波形到符号接收机电压动态范围提升了245 mV（100%）。实验结果证明，基于BRNN后均衡和基于DNN的波形到符号接收机能有效提升系统性能，是未来UVLC中很有前景的技术方案。
水下可见光通信 振幅移相键控 双向循环神经网络 后均衡 深度神经网络 UVLC APSK BRNN post-equalization DNN
华东师范大学 通信与电子工程学院，上海 200241
针对自由空间光（FSO）通信系统易受大气湍流效应影响的问题，为降低系统在饱和湍流情况下的误码率（BER），并且考虑到实际工程中需要在有限信噪比（SNR）下得到最大的分集增益，需要对系统的分集性能进行研究，以得到分集增益与SNR和系统链路数量等参数的关系。文章选择采用多输入多输出（MIMO）技术，设计了基于正交振幅调制（QAM）的MIMO-FSO通信系统，分析了系统在负指数分布信道模型下的性能表现，推导出系统的BER计算公式与分集增益相关参数（如分集阶数（DO）、分集阶数增量（IDO）和收敛速度（SOC）等）的闭式表达式，并利用数学软件Matlab进行仿真实验，通过蒙特卡洛仿真来验证所推导公式的准确性。仿真结果表明，MIMO技术在不增加发射功率和接收孔径面积的情况下，可以大幅度降低FSO通信系统的BER，且在饱和湍流信道下，系统链路数量越多或湍流强度越低时，DO随SNR增长到理论最大值的速度越快。MIMO技术有效地抑制了大气湍流对系统的负面影响，大幅提高了系统性能。在条件允许的情况下，尽量使用多的发射机和接收机可以使得系统在有限SNR下获得的分集增益更高，但是也需要考虑到实际工程中的部署成本和安装难度来选择合适的链路数量。
自由空间光通信 正交振幅调制 多输入多输出技术 误码率 分集阶数 FSO communication QAM MIMO technology BER DO
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
由于太赫兹面阵探测器像元数少，且目标像素数较少，全息图的衍射效应明显，因此其重建较可见光全息图重建困难。研究两种将深度学习用于二维连续太赫兹同轴数字全息振幅重建的方法，并与传统的角谱法（ASM）和带切趾的振幅约束相位恢复算法（APRA）进行对比。第一种是端对端的U-net网络重建方法（H-UnetM），即网络输入图像为全息图；第二种是角谱法加U-net网络重建方法（AS-UnetM）。仿真研究表明，对于记录距离15~20 mm、分辨率0.3~0.5 mm目标的2.52 THz全息图，AS-UnetM重建优于APRA，而H-UnetM仅优于ASM但不如APRA。最后通过真实实验加以验证，结果表明H-UnetM能够重建目标，但部分背景噪声也被突出，而采用AS-UnetM在目标附近的重建效果最佳。
全息 太赫兹成像 同轴数字全息 振幅重建 深度学习 中国激光
2023, 50(19): 1914001
光场调控和信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西省光信息技术重点实验室，西北工业大学物理科学与技术学院，陕西 西安 710129
随着大数据时代的到来，空间光通信已被广泛应用于各种通信系统中，但随之而来的是容量瓶颈的挑战。基于光场频率、时间、偏振、横向空间模式等维度调控的信息编解码方法在解决容量问题方面展现了优异性能，但光场的纵向维度却未被应用于信息编解码。针对此问题，本文提出了一种基于电介质超表面的光场纵向维度信息编解码新方法，基于四原子结构的几何相位和传输相位联合调控，实现了透射场自旋相关的复振幅调控。同时，利用光学冻结波原理产生了轨道角动量模式叠加态的纵向可控变化，并验证了光场模态的纵向调控能够以指数级提升信道中的模态容量。纵向维度作为一个全新的编码自由度，有望进一步提高自由空间光通信性能。
表面光学 超表面 纵向调控 复振幅 编码 中国激光
2023, 50(18): 1813013
暨南大学纳米光子学研究院广东省纳米光学操控重点实验室，广东 广州 511443
超构表面是人工设计的二维平面结构，可为光学器件的小型化和集成化提供新的思路。近年来，随着这一领域的不断发展，基于超构表面光学的各种光场调控机理和功能器件被提出。本文以光场操控的琼斯矩阵自由度为出发点，对近十年来的超构表面光学进展进行归类和综述，总结不同自由度琼斯矩阵的设计方法和相应的应用，并展望多自由度的超构器件研究的发展趋势。
超构表面 琼斯矩阵 多自由度 相位调控 振幅调控 光学学报
2023, 43(16): 1623007
1 浙江师范大学浙江省光信息检测与显示技术研究重点实验室，浙江 金华321004
2 义乌工商职业技术学院，浙江 义乌 322000
引入了一种新型完美涡旋光束——完美Lommel光束（PLBs）。首先给出了产生这种光束的理论机制，然后构建实验系统来产生PLBs。实验主要分为两步：第一步是利用罗曼迂回相位编码法产生高质量Lommel光束；第二步是将生成的Lommel光束经傅里叶变换后产生PLBs。产生的PLBs的环半径不受拓扑荷值的影响，并可通过阶数、不对称参数的模和角度三个参数来调控PLBs的分布，这意味着PLBs是一种具有三个自由度的三参量完美涡旋光束。
物理光学 完美Lommel光束 罗曼迂回相位编码法 复振幅调制
为了深入研究高频超声振动(high-frequency ultrasound vibration, HFUV)对飞机薄壁结构激光焊接微熔池的影响机理, 借助COMSOL软件, 建立了激光微熔池模型, 开展了旁触式单振源模式下振幅、超声加载位置等参数对熔池声压作用规律的仿真计算, 分析了超声空化效应和声流效应的产生条件, 并试验验证了超声功率对接头微观组织以及生成相的影响。结果表明, 高频超声振动使得激光微熔池内部声压产生正负交替变化, 温度场更加均匀, 有利于空化泡的形成、闭合和超声空化效应的产生, 降低残余应力; 超声加载位置、超声振幅与熔池输入声压成正比, 超声加载位置每靠近熔池10 mm, 熔池声压增大2~3倍, 每增大4 μ倍的振动幅值, 熔池输入声压增大10 Pa; 超声振动对熔池主要起搅拌作用, 当振幅＞7 μm、加载位置到熔池距离＜60 mm时可产生声流效应, 距离＜15 mm时, 影响机制则以空化效应为主; 随着辅加超声振动场强度的增大, 焊缝组织的晶粒度呈单调增加的趋势, 即组织随超声功率的增加逐渐细化。
COMSOL数值模拟 高频超声振动 振幅 熔池声压 微观组织 晶粒度 COMSOL simulation high-frequency ultrasound vibration (HFUV) amplitude acoustic pressure of the molten pool microstructure grain size
