基于光纤链路的双向量子时间同步理论和实验研究

发布时间：2020-10-09 01:02

　　高精度的时间信号广泛地应用在国民生活、科学研究、政治经济等领域。高精度的时间同步技术使高精度的时间信号得以广泛应用。为了高保真地传递时间信号,时间传递手段的精度必须比被传递的时间信号精度高。双向时间传递方法是精度很高的时间同步方法。在双向时间传递过程中,由于双向信号在同一通道中同时相向传输,在物理上克服了传递链路的不对称性。根据不同的传递链路,可以分为卫星双向时间频率传递(TWSTFT)、激光双向时间传递(T2L2)和光纤双向时间传递(TWOFTT)。近年来原子钟的精度已经达到10~(-19)量级。现有的时间传递技术已无法满足10~(-19)量级的光学频率原子钟间的时频信号传递比对精度要求,亟需研究发展新的长距离高精度时间传递方法与技术。21世纪初科学家提出的量子时间同步的概念采用量子光源和量子测量技术,到达时间的测量精度可以突破经典测量的散粒噪声极限,从而获得更高的时间稳定度。本文利用外腔倍频获得的高功率780 nm激光泵浦II类相位匹配的PPKTP晶体,得到了高效的1560 nm频率反关联纠缠源;在此基础上,结合双向时间传递的优点和量子时间同步的优势,首次提出了基于光纤的双向量子时间同步协议,并且从理论上和实验上对其进行了研究。主要的研究内容和研究成果如下:(1)理论研究通信波段1560 nm频率反关联纠缠源的产生及其量子特性。实验上采用高功率窄线宽光纤激光器作为激光源,经外腔倍频后产生高功率的780nm激光。780 nm激光单次穿过II类PPKTP晶体最终得到1560 nm频率反关联纠缠源。纠缠源的单光子计数为370 kHz,双光子符合计数22 kHz,频率不可分性为95±3%,信号光和闲置光中心波长分别是1560.23±0.03 nm和1560.04±0.03 nm,光谱的半高宽都是3.22±0.01 nm,双光子符合宽度0.52 nm,纠缠度6.19。该纠缠源的亮度足够在几十千米的光纤中传输,为后续开展量子时间同步实验研究提供了光源。(2)理论上提出了双向量子时间同步协议,并在实验上对其进行了验证。在实验验证过程中,我们利用事件计时器和数据后处理相结合的方式取代了传统的时间符合测量装置,实现了异地时钟同步演示。并且利用非局域测量的方式证明了频率反关联纠缠光的非局域色散消除特性。在20 km的光纤盘上进行了双向量子时间同步实验,时间同步稳定度为0.922±0.004 ps@5 s,0.045±0.038ps@40960 s。实验系统的时间同步稳定度为0.450±0.001 ps@5 s,0.030±0.014ps@40960 s。通过测量平均时间差与传递光纤长度的关系,得到了实验系统的绝对时间准确度为1.23 ps。
【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】：2018
【中图分类】：TN253;O413.1;TN911.7
【部分图文】：

示意图,自发参量下转换,过程,下转换

p，则称为简并相位匹配；反之则称为非简并相位匹配。如图1.2所示为不同相位匹配类型的示意图。图 1.2 不同类型的自发参量下转换过程示意图Figure 1.2 The diagram of varies types of SPDC progress图1.2中，不同颜色表示下转换产生的不同波长。图（a）中，信号光和闲置光光子均匀分布在一个下转换环上，具有相同的偏振，即 Ⅰ 类相位匹配的 SPDC过程；图（b）和图（c）中有两个下转换环，偏振相互垂直，信号光和闲置光光子分别分布在这两个环上，因此具有相互垂直的偏振状态，即 Ⅱ 类相位匹配的SPDC 过程。根据 SPDC 产生的下转换光的方向与泵浦光的方向是否一致，可以分为共线和非共线相位匹配。图（c）中，A-B 和 C-D 分别代表一对信号光和闲置光光子对

示意图,干涉仪,示意图,不可分性

频率不可分性率不可分性指的是下转换产生的信号光和闲置光频谱的相似度：V dωsdωiA ωs, ωiA ωi, ωs dωsdωiA ωs, ωi. 验上频率不可分性可以通过测量信号光和闲置光的频谱重合度来现起来比较复杂，需要利用单色仪分别测量信号光和闲置光的几小时到几十小时。实验上通过测量 HOM 干涉可见度来给出频图1.4为 HOM 干涉仪的示意图，HOM 干涉仪可以用来测量双光干涉仪的两臂等长时，而且两臂上光子偏振相同时就会产生干

示意图,符合测量,示意图,二阶关联函数

装置可以同时记录符合事件次数和发生符合事件的时间间隔。在量子时间同步实验中，时间关联特性的测量要求符合测量系统必须记录信号之间的时间差。如图1.5所示为符合测量的示意图，两台单光子探测器在设定的时间窗口内都有信号输入时，符合测量装置将产生一个符合计数，在理论上解释即光场的二阶关联函数。在 t 时刻，r 处和 t 时刻，r 处同时探测到一对光子的概率正比于光场的二阶关联函数：G t , r t , r E t , r E t , r E t , r E t , r . …(1.26)E 和 E 分别表示探测器处 t , r 和 t , r 电场算符的正负分量。对于SPDC产生的纠缠双光子态，G 可以表达成双光子波函数模的平方，双光子11

【参考文献】