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软件定义无线电入门 - ODU Digital Commons
• 消费者和社会对应用的需求从使用移动电话提供基本语音服务和支持短距离无线网络发展到通过互连的有线和无线网络的庞大异构基础设施支持无处不在的连接和边缘计算。20 世纪 90 年代中期，随着第二代和第三代之间的过渡，无线系统的设计范式发生了重大转变，当时有远见的工程师和无线先驱 Joseph Mitola 正式提出了 SDR 概念 [1]，[2]。根据无线创新论坛 [3]，SDR 被定义为“部分或全部物理层功能由软件定义的无线电”。我们注意到，通信系统的物理层传统上与硬件相关联，并且对物理层功能的任何更改（例如修改调制方案或更改与特定系统相关的频带）都需要更改硬件。因此，为了在传统无线电上支持多种无线标准，必须内置所有相应的硬件模块，这会增加制造成本，并将灵活性限制在一组预定义的选择范围内。相比之下，SDR 具有最少的硬件组件，可以根据需要通过编程更改其操作参数，为多功能无线设备提供了经济高效的替代方案。自 SDR 概念推出以来的三十年里，SDR 通过低成本快速原型设计促进了无线通信系统的重大进步，成为现代通信系统的基石。我们注意到，尽管三十年的存在预计在现代电气和电子技术领域将是一个重要的生命期，但 SDR 仍在蓬勃发展，并在无线通信系统和网络的研究、开发和教学的各个方面无处不在。受 SDR 技术活力的推动，本文概述了它们的突出方面，可用作 SDR 的自导介绍。在第 II 部分中，我们首先回顾了过去 30 年来影响 SDR 演进的驱动因素和支持技术，重点介绍了当前使 SDR 成为无线通信研究和开发界关注焦点的趋势。在第 III 部分中，我们继续简要介绍理论背景，这对于理解 SDR 操作必不可少。这包括以同相和正交分量表示带通信号以及频率上变频和下变频的异差，并且是
7 – 薄膜铌酸锂的量子光子学 Neil Sinclair 1,2 和 Marko Lon č ar 1
2 加州理工学院物理、数学和天文学分部及量子技术联盟 (AQT)，美国加利福尼亚州帕萨迪纳 91125 状态 光子具有许多有利于实现量子技术的特性 [1]：它们存在于环境条件下，通常不受环境噪声的影响，并且在一定程度上可以轻松产生、操纵和检测。由于它们还可以长距离传播而不会造成重大损失，因此单个光子非常适合量子密钥分发，旨在利用量子不确定性来保护远距离各方之间的消息。然而，光子的这些特性也为实现需要单个光子之间确定性相互作用的量子技术带来了挑战，例如用于光子量子信息处理。集成光子学将在实现长距离（例如全球）、中距离（例如城域或房间大小）和短距离（例如芯片间或芯片内）量子网络中发挥关键作用。但是，用于量子技术应用的光子学平台的性能需要比传统应用的要求好得多，并且在某些方面与传统应用的要求有所不同。例如，量子光子学平台需要：（i）超低损耗，以保存脆弱的量子态；（ii）能够精确控制光子的时间和光谱分布；（iii）允许快速、低损耗的光开关路由量子信息；（iv）能够在可见光和电信波长下工作，这两个波长下有许多单光子源和量子存储器工作，并且存在低损耗光纤；（v）具有强非线性，可高效地进行频率上变频和下变频、量子转导和纠缠光子对生成；（vi）允许集成光电探测器和操作电子设备。领先的集成光子平台硅和氮化硅由于缺乏二阶非线性而无法满足这些要求，这限制了它们的功能 [1]。虽然可以通过晶体改性或异质集成来解决这一问题，但仍需观察其中涉及的权衡因素，例如效率和可扩展性。薄膜铌酸锂 (TFLN) 已成为一种有前途的量子光子平台。LN 对光子透明（带隙约为 4 eV），具有强大的电光 (EO) 效应，允许使用微波快速改变光的相位，并且具有较高的二阶光学非线性，可通过铁电畴调制（即周期性极化）进行设计 [2]。重要的是，4 英寸和 6 英寸 TFLN 晶圆最近已实现商业化，这激发了人们对这一令人兴奋的材料平台的兴趣。
讲座 1. 主题介绍和简要历史。
讲座 1. 学科简介和简史。本课程的目的。非线性光学和量子光学的简要历史。它们是如何融合的。没有非线性光学的量子光学：原子和固态发射器。非线性光学基础：参数和非参数过程；非线性偏振；每模式平均光子数（亮度）。 1. 本课程的目的。本课程计划在非线性和量子光学的边界上。量子光学研究的光的量子态以及与光相关的量子信息技术中使用的光量子态大多是通过非线性光学效应产生的。例子有：纠缠光子对、单光子和通过“预示”制备的多光子态、压缩真空、压缩相干态。了解这些状态是如何产生的很重要。除了用于产生量子光的非线性光学方法外，还有用于检测量子光的方法，例如上转换。本课程面向已经学习过非线性光学甚至量子光学的人员，但如果有必要，我们将填补一些理解上的空白。（或者可能提出新的空白，这总是有用的。）将有 10 堂讲座，每两堂讲座后有一个问题课（由 Cameron Okoth 主持），其中的问题将与讲座内容密切相关。重点将放在实验和估算上。作为课程的一部分，我们将组织一次实验室参观，我们将展示谐波产生、和频产生、高增益参量下变频。所有这些都将很好地说明课程。2. 非线性和量子光学的简要并行历史。早期的频率转换实验。任何频率转换都是非线性效应。仅使用线性光学元件，您无法获得“从蓝色变为红色”或反之亦然，您无法改变光谱。从这个意义上说，荧光肯定是一种非线性效应，它从 19 世纪开始就为人所知，赫歇尔在 1845 年和斯托克斯在 1852 年分别进行了两次实验（图 1）。事实上，斯托克斯迈出的重要一步是他使用滤光片来选择激发辐射的短波长部分（教堂蓝玻璃只透射紫外线）和长波长荧光（葡萄酒不透射紫外线）。结论是荧光发生了红移。此外，1928 年通过实验发现的拉曼散射也是一种非弹性散射，可以用非线性光学的形式来处理。表征拉曼散射强度的拉曼张量与立方非线性磁化率一一对应。但传统上，只有 1961 年弗兰肯关于二次谐波产生的实验才被认为是非线性光学的开端。弗兰肯的实验 这个实验是在激光出现后才有可能的。第一台激光器（当时称为光学微波激射器）是由梅曼于 1960 年制造的，但 1961 年弗兰肯已经使用了商用脉冲红宝石激光器！当然，微波的非线性光学
物理
房间：106 Spalding 实验室 检测和操纵压缩光用于量子计量和通信 Esme Knabe 导师：Maria Spiropulu 压缩光是一种亚泊松非经典光状态，在精密测量和量子通信等领域有广泛的应用。由于与现实世界系统的相关性，开发能够与现有光学和光子设备集成的压缩光过程至关重要。为此，该项目旨在展示使用桌面设备和集成光子学测量和操纵压缩光的相空间。这项工作的一些贡献包括但不限于压缩态的相位锁定以实现确定性相位旋转、通过将相干光与压缩光混合来产生位移压缩态、以及优化压缩光实际量子应用实验。通过量子电路假设搜索，使用量子生成对抗网络生成逼真的 LHC QCD 模拟 Yiyi Cai 导师：Maria Spiropulu、Jean-Roch Vlimant 和 Samantha Davis 经典生成模型已被证明有望成为替代生成模型，可以取代部分或全部对撞机数据的详细模拟链，尤其是在 LHC 中。由于初态希尔伯特空间大小的指数缩放和量子系统的内在随机性，量子-经典混合生成模型可以提供更高的精度和性能。这种方法的一个局限性是可以任意选择所用量子电路的假设。我们研究了量子-经典生成对抗模型的性能，以使用变分量子电路作为模型的生成部分来模拟 LHC 上强子喷流的特征，并进一步搜索电路假设空间以找到性能最佳的电路。我们对强子喷流数据集中量子-经典混合生成对抗模型的性能得出结论，并对此类方法在 LHC 上的可用性进行了展望。时间箱量子密钥分发密钥交换 Ismail Elmengad 导师：Maria Spiropulu 和 Anthony LaTorre 量子密钥分发 (QKD) 使双方 Alice 和 Bob 能够实现信息论安全通信。这意味着无论多少计算资源都无法让第三方访问 Alice 和 Bob 的通信。量子比特可以用几种方式编码。该项目将使用时间箱协议来交换量子比特。光子要么在时间基础上准备，它们落入早期或晚期时间箱，类似于经典信息中的 0 和 1，要么在相位基础上准备，这是早期和晚期状态的叠加。通过表征影响量子比特错误率 (QBER) 的各种因素，例如暗计数、脉冲宽度、QBER 稳定性，相位调制等。我们希望通过光纤介质实现任意长度的有效密钥交换。QKD 是通过光纤和视距自由空间环境进行安全通信的一个令人兴奋的前景。用于量子网络的时间箱编码光子量子比特的 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 状态的生成 Nassim Tavakoli 导师：Maria Spiropulu、Samantha Davis、Raju Valivarthi 和 Nikolai Lauk 量子纠缠是量子信息应用（如量子计算、通信和计量）的重要资源，有望实现计算加速、信息论安全通信和增强的传感能力。该项目将重点研究由三个纠缠粒子组成的 GHZ 状态。我们旨在使用光纤耦合元件、体非线性和最先进的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）生成时间箱量子比特的 GHZ 状态。纠缠光子可以通过自发参数下变频和连续波泵浦光后选择产生。这些“飞行量子比特”通过基于到达时间的时间箱技术传输编码的信息。这一演示将是迈向现实世界量子网络的重要一步，这是一种更有效地生成量子隐形传态所需状态的方法。