基于频率一致纠缠源及二阶量子干涉的时间同步研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 符号列表
• 第1章 绪论
•   1.1 量子时间同步的研究现状
•     1.1.1 基于预纠缠共享的量子时间同步
•     1.1.2 分布式量子时间同步
•     1.1.3 基于频率纠缠源到达时间测量的量子时间同步
•   1.2 几种主要的基于频率纠缠源的量子时间同步方法
•   1.3 基于频率纠缠源二阶量子干涉的时间同步方法
•   1.4 论文主要内容及章节安排
•     1.4.1 论文的主要内容
•     1.4.2 论文章节安排
• 第2章 频率一致纠缠光源的理论基础
•   2.1 频率一致纠缠光源产生与探测的基本原理
•     2.1.1 频率一致纠缠光源的产生
•     2.1.2 频率一致纠缠光源的探测
•   2.2 频率一致纠缠光源量子特性的度量
•     2.2.1 频谱不可分性的度量
•     2.2.2 频率纠缠度的度量
•   2.3 本章小结
• 第3章 基于二阶量子干涉时间同步方案的实验系统
•   3.1 量子时间同步系统的实验装置
•     3.1.1 频率一致纠缠源制备
•     3.1.2 时间同步系统的实验装置
•   3.2 基于HOM二阶量子干涉的路径平衡锁定系统
•   3.3 钟差测量系统
•   3.4 时间同步系统的理论模拟
•   3.5 本章小结
• 第4章 实验结果及分析
•   4.1 路径平衡锁定系统的结果及分析
•     4.1.1 基于半导体单光子探测器的锁定结果及分析
•     4.1.2 基于超导单光子探测器的锁定结果及分析
•   4.2 时间同步结果及分析
•     4.2.1 基于半导体单光子探测器的时间同步结果及分析
•     4.2.2 基于超导单光子探测器的时间同步结果及分析
•   4.3 本章小结
• 第5章 基于事件计时器的非定域时间差测量及应用研究
•   5.1 非定域时间差测量的算法
•     5.1.1 非定域时间差测量算法的初步实现
•     5.1.2 非定域时间差测量的算法优化
•   5.2 非定域符合测量的应用
•     5.2.1 量子时间同步系统
•     5.2.2 基于量子光源的测距研究
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 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: 权润爱

导师: 董瑞芳

关键词: 量子时间同步,二阶量子干涉,频率一致纠缠光源,非定域的钟差算法

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,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,电力工业

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

分类号: O431.2;TM935.1

总页数: 125

文件大小: 16358K

下载量: 128