频率纠缠源量子特性的测量及传送带量子时间同步的研究

论文摘要

远距离高精度的时间同步系统在国防安全、导航定位、引力波探测及基础科学研究等方面具有举足轻重的作用。传统时间同步方法的精度受限于经典测量的散粒噪声极限,而在量子系统中,一对处于纠缠态的光子因其纠缠特性,信号脉冲到达时延的测量精度可以突破散粒噪声极限,到达自然物理原理所能达到的最根本极限-量子力学的海森堡极限。因此利用量子纠缠源进行的量子时间同步具有巨大的应用前景。量子时间同步协议利用纠缠源的非经典特性及高灵敏度的量子测量技术,实现了高精度的时间同步,是目前各个国家时频体系的重要研究方向。本文利用飞秒脉冲激光泵浦非线性PPKTP晶体,通过自发参量下转换产生了频率正关联纠缠光子对,并利用Mach-Zehnder（MZ）干涉仪对纠缠源量子特性进行了同时测量。在此基础上,对Sagnac效应进行了量子测量,并结合Sagnac效应对传送带量子时间同步协议进行了理论扩展及实验研究。本论文的主要研究内容如下:1.对频率正关联纠缠源的产生装置进行了优化,分析获得了泵浦光在输出功率一定的情况下,入射到PPKTP晶体中的最佳聚焦尺寸;对纠缠光子对在光纤传输路径中的损耗和色散进行了分析,在此基础上验证了色散补偿光纤对纠缠光子对在光纤传输路径中色散展宽的补偿作用;比较了在1582nm波长处半导体单光子探测器及超导单光子探测器的性能,超导纳米线单光子探测器的探测效率可高于50%,时间抖动为79ps,暗计数为100Hz,相对于半导体探测器10%的探测效率,249ps的时间抖动及2kHz的暗计数,在对纠缠光子的探测上具有很大的优势。2.利用Mach-Zehnder（MZ）干涉仪对制备的频率正关联纠缠源的量子特性（频谱不可分性和频率纠缠度）进行了同时测量。理论上推导了脉冲泵浦条件下II类自发参量下转换过程产生的纠缠双光子源的时域分布,由于固有群速度时延的存在,信号光和闲置光在II类非线性晶体里存在时间差,导致MZ干涉图谱出现中心振荡包络及包络两侧的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉的边带凹陷,通过测量HOM凹陷的深度和两凹陷之间的距离以及中心包络的宽度,频谱不可分性和频率纠缠度就可以同时被测量,实验上得到频率正关联纠缠源的频谱不可分性VHOM=0.52±0.02,频率纠缠度Rt=15.8±0.8。3.利用频率正关联纠缠源对Sagnac效应进行了量子测量。基于Sagnac效应对传送带量子时间同步协议在理论上进行了扩展:在时钟两地分别引入相同的Sagnac环A和Sagnac环B,将钟差与Sagnac环A和Sagnac环B的时延差差值联系起来,通过HOM二阶量子干涉测量该时延差差值,就可以得到钟差,从而实现时钟同步。同时搭建了基于Saganc效应的传送带量子时间同步协议的实验系统,对实验系统的HOM干涉环路进行了长时间的锁定测量,评估了该系统具有fs量级的时间同步稳定度,验证了此协议的可行性。4.提出了侧边锁定的方法来优化量子时间同步系统中的HOM干涉环路的锁定,实现了更快的环路锁定反馈速率,更高的锁定信噪比及更好的环路锁定稳定度。同时研究并发现了在纠缠双光子的符合计数率为70/s时,HOM干涉环路锁定长期稳定度依然在fs量级,为更长距离更高精度的量子时间同步提供支持。5.理论及实验上研究了级联HOM干涉仪的双光子干涉现象,并借助费曼图解释了双光子态在入射级联50/50分束器后的出射情况;基于此二阶量子干涉现象提出了一种时延的量子测量方法,通过观察HOM干涉图谱的多个凹陷位置,就可以直观地得到级联HOM干涉仪的路径时延差,实验上实现了亚皮秒量级的测量精度及飞秒量级的测量稳定度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号列表
• 第1章 绪论
•   1.1 频率纠缠源
•     1.1.1 纠缠类型
•     1.1.2 频谱不可分性
•     1.1.3 频率纠缠度
•   1.2 直接符合测量
•   1.3 三种干涉仪的介绍
•     1.3.1 Hong-Ou-Mandel干涉仪
•     1.3.2 Mach-Zehnder干涉仪
•     1.3.3 Sagnac干涉仪
•   1.4 两种量子时间同步协议的介绍
•     1.4.1 传送带量子时间同步协议
•     1.4.2 基于二阶量子干涉的时间同步协议
•   1.5 本论文结构安排
• 第2章 频率纠缠光子对的制备、传输与探测
•   2.1 频率纠缠光子对的制备
•   2.2 频率纠缠光子对在光纤中的传输
•     2.2.1 光纤器件损耗
•     2.2.2 光纤色散测量
•     2.2.3 光纤色散补偿
•   2.3 频率纠缠光子对的探测
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于Mach-Zehnder干涉仪对频率纠缠源量子特性的测量
•   3.1 理论分析
•     3.1.1 Ⅱ类自发参量下转换双光子态的时域上单光子分布和双光子符合分布
•     3.1.2 基于MZ干涉仪的频率纠缠特性测量
•   3.2 实验装置
•   3.3 实验结果与分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于Sagnac效应的传送带量子时间同步
•   4.1 理论扩展
•   4.2 可行性分析
•     4.2.1 Sagnac效应的量子测量
•     4.2.2 系统性能评估
•   4.3 本章小结
• 第5章 量子时间同步中的HOM干涉环路锁定研究
•   5.1 不同锁定方法对HOM干涉环路锁定的影响
•     5.1.1 侧边锁定的工作原理
•     5.1.2 实验装置
•     5.1.3 实验结果及分析
•   5.2 双光子符合计数率对HOM干涉环路锁定的影响
•     5.2.1 实验装置
•     5.2.2 实验结果及分析
•   5.3 同轴电缆对时间同步测量稳定度的影响
•     5.3.1 实验装置
•     5.3.2 实验结果及分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 级联HOM干涉仪的双光子干涉现象
•   6.1 理论分析
•   6.2 二级HOM干涉仪的实验演示
•     6.2.1 实验装置
•     6.2.2 实验结果及分析
•   6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 工作总结
•   7.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 翟艺伟

导师: 董瑞芳

关键词: 量子时间同步,频率纠缠源,效应,干涉仪,时间同步稳定度

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

分类号: O413

总页数: 115

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