基于FPGA的星上量子实验控制单元的研究与实现

发布时间：2017-05-15 15:12

  本文关键词：基于FPGA的星上量子实验控制单元的研究与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：量子信息学近年来取得了巨大的发展,它是经典信息学和量子力学相结合的学科。相比于经典信息学其拥有更大的优势与前景,因而在各个领域被广泛的关注和研究。在量子信息学中,量子通信是发展最成熟、最接近实用化的通信方式。目前为止,基于光纤的量子通信已经相对比较成熟并且应用于实际中。但是由于信号于光纤中存在固有衰减,基于光纤的量子通信很难做到远距离量子通信,并且其受地理因素影响较大。因此为实现全球化的量子密钥分发、完成远距离纠缠分发以及隐形传态实验,实现星地量子通信是十分有必要的。星地量子通信中星上控制单元是完成实验的关键部分之一,因此对其研究与实现是十分有意义的。基于FPGA的星上量子实验控制单元是本论文研究的主要内容。在量子通信过程中,量子实验控制单元的主要任务是量子信号的发送控制、量子信号的时间探测以及相关科学数据的传输存储等。其中量子信号的发送控制以及量子信号的时间探测是本课题的研究重点和创新点。量子通信中采用弱光作为信息载体,因此在大衰减的星地量子信道中,接收端探测到信号个数较少,这将直接影响最终成码。为提高量子通信的成码率,必须增加单位时间内信号探测的个数,故提高发射频率是量子通信的关键,在本课题中我们利用循环调制脉冲的方法提高发射频率,实现了200 MHz的量子发射频率。为探测高频的发射信号并减小噪声产生的影响,我们采用FPGA进位链实现高精度的时间测量,测量时间精度达到了50ps。量子实验控制单元由五个模块组成,分别是高速脉冲调制模块,主要完成量子信号的发送控制;时间测量模块,主要完成量子信号的时间测量;数据总线控制模块和SDRAM控制模块,主要完成科学数据的传输与存储;以及完成各个模块间的控制调度功能的指令解析与系统控制模块。利用量子实验控制单元我们分别进行量子密钥分发实验,量子纠缠分发实验和量子隐形传态实验。在模拟衰减大于40d B的情况下成功完成了量子密钥分发实验,成码率1.8kbps,误码率2.8%。在模拟衰减为76d B的情况下实现了双向量子纠缠分发实验,观测到了Bell不等式破缺,Bell不等式测量结果为2.5±0.8。在模拟衰减为46d B的情况下实现了量子隐形传态实验,所传送态对比度均大于3:1,置信度大于95%。实验过程中量子实验控制单元稳定、可靠,证明其能满足量子通信实验的要求。
【关键词】：FPGA 卫星 量子通信 控制单元
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O413;TN918
【目录】：

• 引言6-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 选题背景及意义8-9
• 1.2 量子通信发展概述9-11
• 1.3 论文内容安排11-12
• 2 星地量子通信12-22
• 2.1 星地量子通信流程12-13
• 2.2 星地间相对运动对量子通信的影响13-16
• 2.2.1 星地相对运动13-15
• 2.2.2 星地相对运动对接收频率的影响15-16
• 2.3 星地量子通信实验介绍16-21
• 2.3.1 量子密钥分发实验16-18
• 2.3.2 量子纠缠分发实验18-19
• 2.3.3 量子隐形传态实验19-21
• 2.4 本章小结21-22
• 3 量子时间测量及量子发送控制22-39
• 3.1 基于FPGA的高精度时间测量方法22-30
• 3.1.1 时间测量方法22-25
• 3.1.2 高精度时间测量在FPGA中的实现25-27
• 3.1.3 高精度时间测量性能分析27-30
• 3.2 基于FPGA的高速LD脉冲调制方法30-35
• 3.2.1 脉冲调制方法30-32
• 3.2.2 高速LD脉冲调制在FPGA中的实现32-33
• 3.2.3 高速LD脉冲性能分析33-35
• 3.3 时间精度对量子通信影响35-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 量子实验控制单元的实现39-58
• 4.1 指令解析与系统控制功能40-43
• 4.1.1 RS422总线接.模块40-41
• 4.1.2 指令解析模块41-42
• 4.1.3 系统控制模块42-43
• 4.2 数据总线控制功能43-48
• 4.2.1 LVDS总线44-46
• 4.2.2 TLK2711总线46-48
• 4.3 SDRAM控制功能48-51
• 4.3.1 SDRAM状态机49-50
• 4.3.2 SDRAM数据交互50-51
• 4.4 时间测量功能51-54
• 4.4.1 时间测量模块51-53
• 4.4.2 计数功能模块53-54
• 4.5 脉冲调制功能54-56
• 4.5.1 高速量子光调制模块55-56
• 4.5.2 同步光脉冲调制56
• 4.6 资源利用56-57
• 4.7 本章小结57-58
• 5 量子实验控制单元的实验验证58-67
• 5.1 量子密钥分发实验验证58-61
• 5.2 量子纠缠分发实验验证61-63
• 5.3 量子隐形传态验证63-66
• 5.4 本章小结66-67
• 6 结论与展望67-69
• 参考文献69-72
• 在学研究成果72-73
• 致谢73-75
• 论文摘要75-76
• Abstract76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 应建华;黄萌;赵江平;;一种基于RS485/RS422的多速收发器的设计[J];半导体技术;2007年12期

2 李勇;艾竹君;史亚彬;方巍;;基于FPGA的脉冲信号发生器的设计[J];低温与超导;2006年06期

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本文编号：368107