基于光学“准角态”和“准轨道角动量态”的通用线性变换

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61875101
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    69.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0501.光学信息获取、显示与处理
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Linear optical transformations of high-dimensional vectors is a fundamental and powerful tool for both quantum mechanics and classical technologies. Typically, arbitrary linear operators can be achieved with the Reck scheme, in which the N-dimensional transformation matrix is achieved by a specific triangular mesh of 2ⅹ2 beam splitters (or directional coupler) and phase shifters. Thus, as the dimensionality (N) increased, the complexity in terms of system arrangement and parameter control would grow significantly as the square of the dimension(N^2). In order to avoid the cascaded multi-stage mesh in the Reck structure, we have proposed the concept of "quasi OAM state" and "quasi angular state" of finite dimension. Although the characteristics of the infinite dimension of OAM state is cut off, quasi angular state and quasi OAM state have guaranteed the practical implementation. Recently, we have realized the 7-dimensional arbitrary linear transformation matrix, which exceeds the reported 6-dimensional arbitrary coefficient matrix. In this project, the research target is to perform optical linear transformation matrix of arbitrary dimension coefficients with dimensionality more than 20. The contents of this project include: (1) further optimizing the high dimensional optical linear transform scheme based on "quasi angle state" and "quasi OAM" state with improved the matrix dimension, transform fidelity and conversion efficiency; (2) validating the optical linear transformation of more than 20-dimension; (3) application of high dimensional optical linear transformation, including OAM sorting and topological charge detection in classical optics as well as quantum state detection and multi-photon boson sampling in quantum optics.
对高维向量的线性变换是光学信息处理中一个基础而又功能强大的工具,在量子光学和经典光学领域都有重要的应用。目前实现高维线性变换的方案是通过级联2ⅹ2矩阵变换单元的Reck结构,但是器件数目将随着维度的平方增加。为了避免Reck结构中多级级联结构,我们提出了有限维“准OAM态”和“准角态”概念。“准角态”和“准OAM态”,虽然牺牲了OAM态无限维度的特性,但保证了物理的可实现性。我们已经实现了7维的任意线性变换矩阵,超过了已有报道的6维任意系数光学变换矩阵。本项目研究目标:实现维度超过20的任意复系数的光学线性变换矩阵,研究内容:(1)进一步优化基于“准角态”和“准OAM态”高维光学态线性变换方案,提高矩阵维度、变换保真度和变换效率;(2)超过20维的光学态线性变换的实验论证;(3)高维光学态线性变换的应用研究,包括经典光学中的OAM分类与拓扑荷检测以及量子光学中量子态的检测和光子玻色采样等。

结项摘要

对高维向量进行线性变换是光学信息处理一个基础而又功能强大的工具,在量子光学和经典光学领域都有着广泛而重要的应用。项目的研究目标:实现维度超过20的任意系数的光学线性变换矩阵,研究内容包括:(1) 进一步优化基于“准角态”和“准OAM态”高维光学态线性变换方案,提高矩阵维度、变换保真度和变换效率;(2) 超过20维的光学态线性变换的实验论证;(3) 高维光学态线性变换的应用研究。经过4年的研究,本项目按照原定计划顺利完成了原定的研究目标,项目负责人冯雪作为通信作者累计发表期刊论文8篇,其中SCI收录论文7篇,获得专利授权一项,取得的成果主要包括三方面:(1)高维光学模态的线性变换架构方面:实现了基于离散相干空间模式的24维可编程任意线性变换,而已有报道最高值为6维(Journal of Optics 21, 104003, (2019));提出并验证了一种用于光学线性变换的矩阵变换方案,实现了路径域和轨道角动量(OAM)域酉变换架构的统一(National Science Open, 1(3): 20220019 (2022))。(2)高维光学线性变换的应用:在量子光学领域,基于离散空间相干模式实现了15维量子态层析矩阵的变换(Physical Review Applied, 14(2), 024027, (2020));提出了基于“采样—复矩阵变换—平方检波”的单层全光神经网络架构,并进行了手写数字识别和物体图像识别实验(Optics Express, 29 (17): 26474-26485 (2021))。 (3)新型集成器件方面:实现了一种偏振控制产生单向传输局域余弦高斯光束(LCGB)的耦合器(Optics Express, 27 (16): 22053-22073, (2019)),进一步还实现了带有相位调制的复合光学角动量分束器(ACS Photonics, 7(1): 212-220, (2020));优化硅基集成光学轨道角动量(OAM)发射器,实现11阶OAM模式动态切换,是已有报道中可调阶次范围最大的(Photonics Research, 9 (9): 1865-1870 (2021)),进一步实现了国际上首个室温工作、硅基集成、阶次可调的OAM可预报单光子源(Laser Photonics Review, 16(12), 2270059)。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Room-temperature generation of heralded single photons on silicon chip with switchable orbital angular momentum
室温下在硅芯片上产生具有可切换轨道角动量的单光子
  • DOI:
    10.21203/rs.3.rs-1233640/v1
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Laser Photonics Rev.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Shan Zhang;Xue Feng;Wei Zhang;Kaiyu Cui;Fang Liu;Yidong Huang
  • 通讯作者:
    Yidong Huang
Programmable Unitary Operations for Orbital Angular Momentum Encoded States
轨道角动量编码态的可编程幺正运算
  • DOI:
    10.1360/nso/20220019
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
    National Science Open,《国家科学进展》
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Shikang Li;Xue Feng;Kaiyu Cui;Fang Liu;Wei Zhang;Yidong Huang
  • 通讯作者:
    Yidong Huang
A Compound Phase-Modulated Beam Splitter to Distinguish Both Spin and Orbital Angular Momentum
一种用于区分自旋和轨道角动量的复合相位调制分束器
  • DOI:
    10.1021/acsphotonics.9b01437
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
    ACS Photonics
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Zhao Xuesi;Feng Xue;Liu Fang;Cui Kaiyu;Zhang Wei;Huang Yidong
  • 通讯作者:
    Huang Yidong
All-optical image identification with programmable matrix transformation
具有可编程矩阵变换的全光学图像识别
  • DOI:
    10.1364/oe.430281
  • 发表时间:
    2021-08-16
  • 期刊:
    OPTICS EXPRESS
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Li, Shikang;Ni, Baohua;Huang, Yidong
  • 通讯作者:
    Huang, Yidong
Universal linear optical operations on discrete phase-coherent spatial modes with a fixed and non-cascaded setup
具有固定和非级联设置的离散相位相干空间模式的通用线性光学操作
  • DOI:
    10.1088/2040-8986/ab3d8b
  • 发表时间:
    2018-01
  • 期刊:
    Journal of Optics
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Zhao Peng;Li Shikang;Feng Xue;Barnett Stephen M;Zhang Wei;Cui Kaiyu;Liu Fang;Huang Yidong
  • 通讯作者:
    Huang Yidong

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其他文献

丘陵陡坡荒山灌木草丛及其造林地生态系统碳库的分配格局
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡小飞;冯雪;任文;刘苑秋
  • 通讯作者:
    刘苑秋
可延展柔性无机电子器件的结构设计力学
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    科学通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    常若菲;冯雪;陈伟球;宋吉舟
  • 通讯作者:
    宋吉舟
宗教信仰对农村老年人死亡态度的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    人口与发展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冯雪;宋璐;李树茁
  • 通讯作者:
    李树茁
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冯雪;李清翠;刘继龙;张振华;谢恒星
  • 通讯作者:
    谢恒星
周期性牵张力对破骨细胞分化因子
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中华口腔医学杂志,2005;40(6):447
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李永明;冯雪
  • 通讯作者:
    冯雪

其他文献

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冯雪的其他基金

基于光学轨道角动量的片上微粒子操控
  • 批准号:
    61675112
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
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  • 项目类别:
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高温环境下热防护涂层力学性能测试及失效机理研究
  • 批准号:
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  • 批准年份:
    2011
  • 资助金额:
    25.0 万元
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    重大研究计划
第一届全国实验力学青年学者学术研讨会
  • 批准号:
    11042007
  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    专项基金项目
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  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    22.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
热障涂层热力耦合行为及失效评估
  • 批准号:
    90816007
  • 批准年份:
    2008
  • 资助金额:
    82.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划

相似国自然基金

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  • 批准号:
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相似海外基金

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知道了

AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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