基于频率一致纠缠源及二阶量子干涉的时间同步研究

发布时间：2020-10-18 13:13

　　 高精度时间同步在精密计量、深空探测、全球导航定位、引力波探测等前沿科学研究和技术应用中发挥着举足轻重的作用。我国在十二五期间已将时间频率体系建设列入发展规划,并已开始建设性能卓越的全球北斗卫星导航系统和国家PNT(时间、定位和导航)系统;围绕基础物理研究需求,2022年我国将在中国空间站研制并运行高精度时间频率实验柜;国家自然基金委设立了精密测量物理重大研究计划等。上述计划任务均需要发展优于皮秒量级的时间同步技术。量子时间同步是量子光学、量子信息和时间频率交叉的新领域,利用具有纠缠和压缩等量子特性的光脉冲信号和高灵敏量子探测技术,可大大提高现有系统的时间同步精度,基于通道间的频率纠缠特性,量子时间同步还可消除传播路径中色散对同步精度的影响。同时,借助量子纠缠源的独有特点,还可以开发出安全的时间同步协议。鉴于以上特点,量子时间同步是本世纪以来量子精密测量领域的重要研究方向之一,也被认为是更高精度的时间频率传递前瞻性技术。频率一致纠缠光源由于在量子干涉测量过程中具有高时间分辨率及色散消除等特性,是量子时间同步、量子相干层析等量子信息技术中的重要物理光源。本论文基于通信波段的频率一致纠缠光源开展量子时间同步方面的理论与实验研究,首次从理论上对二阶量子干涉时间同步系统的准确度和稳定度进行量化分析,并基于实验室产生的高效频率纠缠光源,国际上首次在4公里光纤距离上获得了亚皮秒级的量子时间同步精度,利用超导单光子探测器在6公里的光纤距离上获得时间同步稳定度达到飞秒量级。与此同时,开发适用于远程量子时间同步的非定域钟差测量算法是量子时间同步技术发展的必要条件,本文设计实现了基于事件计时器的高精度钟差测量算法,为实地亚皮秒量级时间同步系统的实现提供可行的测量手段。本论文的主要研究内容如下:1.设计并构建了量子时间同步原理演示实验验证系统。基于Hong Ou Mandel(HOM)干涉仪实现待同步钟两地到基站的路径平衡锁定后,两路的钟差由纠缠双光子到达时间的二阶关联分布获得。本系统包括路径平衡锁定及钟差测量装置两部分,并采用秒脉冲信号对钟差测量系统的性能进行评估。理论上首次量化分析了影响时间同步稳定度和准确度的物理参数,其中准确度源于纠缠光子对的波长不简并以及传输路径的二阶色散共同作用,稳定度目前主要受探测到的纠缠双光子的波包色散展宽及符合计数率的影响。2.国际上首次报道了亚皮秒量级的量子时间同步原理演示实验验证结果。基于半导体单光子探测器,在实现4 km光纤距离的路径长度反馈锁定基础上,得到钟差测量的准确度为73.2 ps,时间同步稳定度在1000 s时为1.5 ps,积分时间16000 s达到0.44 ps;基于超导纳米线单光子探测器,在6 km光纤距离上测得钟差的偏移量为13 ps。积分时间为100 s时的时间同步稳定度为0.81 ps,当积分时间为25600 s时,时间同步稳定度为60 fs,理论与实验结果吻合。3.为了解决传统符合测量装置其测量范围及分辨率受双光子传输距离限制的问题,为量子时间同步的实地应用提供必要的测量手段,设计并实现了基于频率纠缠双光子的非定域钟差测量算法,同时实现了分辨率可调的非定域符合测量,分辨率最小达到1 ps。利用事件计时器采集纠缠光子到达时间信号,并对信号进行二阶关联运算得到纠缠光子对的符合分布。基于本算法,得到时间差单次测量的测量精度0.79 ps,文中分析了影响计算精度的因素,并简要介绍了本算法的部分应用及已取得的成果。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O431.2;TM935.1
【部分图文】：

种主要的基于频率纠缠源的量子时间同步方法. 单向量子时间同步方案：2004 年，马里兰大学的 Yanhua Shih 等提光子对二阶关联测量 (直接符合测量) 的量子时间同步协议[34]。假与钟 A 均在地面实验室，钟 B 在空间站。频率纠缠双光子源被分置光，信号光被发送到空间站，事件计时器记录光子的到达时间并通道传回地面站，地面实验室的事件计时器记录闲置光的到达时间光子到达时间进行二阶关联计算得到两路信号的到达时间差。由计时器的参考信号来自于各自的时钟信号，通过测量或已知传输群速度大小的情况下，即可解算出两地的钟差。基于该协议的原理也已同步开展，在实验室 3 km 的盘纤上获得钟差的测量精度为 1有实验系统简单易行，操作方便等优点，还可用于基于量子脉冲的定位系统中，但时间传递过程易于受传输路径的时延抖动及二阶的测量误差影响，当路径时延抖动较大时，时间差测量精度也较低

入 Hong-Ou-Mandel(HOM) 干涉仪[36]进行二阶量子干涉，从而将延差与钟差联系起来，通过比较 HOM 干涉最低点的位置变化，。该协议的特点是由于频率纠缠源在 HOM 干涉仪中的色散消除的色散对测量钟差的精度没有影响，系统中的匀速时延产生装制精度最终决定了钟差的测量精度。于该协议，中科院物理所范桁研究小组提出了近地轨道的量子。待同步的时钟 A 和时钟 B 分别放置在地球上的基站和卫星上源被用于时间同步系统中作为光源，两个钟的钟差信号由移动过测量 HOM 干涉仪之后的符合计数率精确提取出来。最终得由纠缠光源的参数及卫星高度决定，该协议中还分析了地球引冲的影响，通过消除纠缠光子的引力红移和蓝移，时间同步的精提高。但在目前的条件下，该协议中匀速时延产生装置的速度大精度是制约其精度的主要因素之一。

图 1.3 光纤双向量子时间同步方案的原理示意图 1.3 The schemetic of fiber based two-way quantum clock synchronization a基于二阶量子干涉的时间同步方案：鉴于 HOM 干涉仪在干涉两有最低符合计数的特点，美国陆军研究实验室的 Bahder 和 Goldi纠缠光子二阶量子干涉的时间同步协议[38]，该协议中纠缠光子对被置于地面站，待两步的两个钟分别在两个空间站，纠缠光子对一部分纠缠光子对被发射到两个空间站并反射回基站的 HOM 干衡待同步的两个钟所在地与基站之间的路径，另外一部分纠缠两个待同步钟的位置，通过调节基站与其中一个待同步钟地之散使得两地到基站的时延相等，此时两地间的钟差可直接通过阶关联测量得到。该协议中无需知道两个钟的相对位置，也无需介质色散及路径长度，时间同步精度仅受限于路径平衡锁定系度 (在飞秒量级)，因此，在远距离的高精度时钟同步中具有重要
【参考文献】

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1 王盟盟;权润爱;邰朝阳;侯飞雁;刘涛;张首刚;董瑞芳;;通信波长频率一致纠缠光源的频谱测量[J];物理学报;2014年19期

2 张羽;权润爱;白云;侯飞雁;刘涛;张首刚;董瑞芳;;超短脉冲抽运下频率一致纠缠光源量子特性实验研究[J];物理学报;2013年14期

本文编号：2846343