CN108718218B

CN108718218B - 基于频率纠缠光源的双向量子时间同步方法

Info

Publication number: CN108718218B
Application number: CN201810436641.XA
Authority: CN
Inventors: 董瑞芳; 侯飞雁; 张首刚
Original assignee: National Time Service Center of CAS
Current assignee: National Time Service Center of CAS
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: CN108718218A

Abstract

本发明提供了一种基于频率纠缠光源的双向量子时间同步方法，将波长相同的两个纠缠源分别置于A、B两地，两个纠缠源产生的信号光分别经过一个光纤环形器后通过同一条光纤对向传输，由位于相对地点的探测器进行探测；两个纠缠源产生的闲置光由位于纠缠源统一地点的探测器进行探测；位于A、B两地的时钟a和b分别记录位于A地的纠缠源发出的光子到达两地探测器的时间{t_1j}和{t_2j}，以及位于B地的纠缠源发出的光子到达两地探测器的时间{t_3j}和{t_4j}，j代表第j个光子；对{t_1j}、{t_2j}做互相关运算得到t₂‑t₁；对{t_3j}、{t_4j}做互相关运算得到t₄‑t₃；计算得到时钟a和b的钟差t₀＝((t₂‑t₁)‑(t₄‑t₃))/2。本发明测量精度高，所用装置结构简单。

Description

基于频率纠缠光源的双向量子时间同步方法

技术领域

本发明属于时间频率技术领域，具体涉及到一种双向量子时间同步方法。

背景技术

量子时间同步技术是本世纪初被提出来的一种新的时间同步技术。该技术利用具有频率纠缠和光子数压缩特性的量子光脉冲及量子符合探测技术可以使现有时间同步精度突破散粒噪声极限，可以把时间同步精度提高到亚皮秒甚至飞秒量级。除了大幅度提高精度外，量子时间同步技术的另一优点是可以把量子时间同步协议与量子保密通讯相结合，实现具备保密功能的量子时间同步协议。此外，基于通道间的量子脉冲频率纠缠特性还可以消除传播路径中色散效应对时钟同步精度的影响。因此，量子时间同步技术是大幅提高同步精度的新一代时间同步技术。

目前，国际上关于量子时间同步的研究工作还处在技术探索的早期研究阶段。2001年美国麻省理工学院Giovannetti等人提出了在光纤链路中利用纠缠消除色散效应的传送带协议。2003年美国陆军研究实验室的Bahder和Golding提出了基于纠缠光子二阶相干干涉测量的时钟同步协议。上述两种方法存在的主要问题是装置复杂，不适合于实用化应用。

2004年美国马里兰大学史砚华等人提出了单向量子时间同步协议并进行了原理演示实验。该方法存在的主要问题是无法克服光纤链路引起的时间波动，影响测量准确性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于频率纠缠光源的双向量子时间同步方法，测量精度高，所用装置结构简单。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：将波长相同的两个纠缠源分别置于需要进行时间同步的相对两地A和B，A、B两地由长度为l的光纤相连；两个纠缠源产生的信号光分别经过一个光纤环形器后通过同一条光纤对向传输，由位于相对地点的探测器进行探测；两个纠缠源产生的闲置光由位于纠缠源统一地点的探测器进行探测；位于A、B两地的时钟a和b分别记录位于A地的纠缠源发出的光子到达两地探测器的时间{t_1j}和{t_2j}，以及位于B地的纠缠源发出的光子到达两地探测器的时间{t_3j}和{t_4j}，j代表第j个光子；对{t_1j}、{t_2j}做互相关运算得到t₂-t₁；对{t_3j}、{t_4j}做互相关运算得到t₄-t₃；计算得到时钟a和b的钟差t₀＝((t₂-t₁)-(t₄-t₃))/2。

所述的纠缠源采用780nm激光泵浦PPKTP晶体自发参量下转换产生频率纠缠源。

本发明的有益效果是：采用量子光源作为时间信号的载体，时间的测量可以突破散粒噪声极限，大大提高测量精度。与已有的量子时间同步方法相比，本发明采用的装置结构简单，适合于实用化应用，可以克服光纤链路变化引起的测量波动。

附图说明

图1是基于频率纠缠源的双向量子时间同步的原理示意图；

图中，1-A地所有装置，2-一号纠缠源，3-单光子探测器D1，4-信号光，5-闲置光，6-光纤环行器，7-单光子探测器D4，8-事件计时器ET1，9-时钟a，10-连接A、B两地的光纤，11-光纤环行器，12-单光子探测器D2，13-时钟b，14-事件计时器ET2，15-二号纠缠源，16-单光子探测器D3，17-传递数据的经典通道，18-B地所有装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供了一种基于频率纠缠光源的双向量子时间同步技术，其原理如图1所示，包括纠缠光源的制备、传递及探测三部分。

本发明采用780nm激光泵浦PPKTP晶体自发参量下转换产生频率纠缠源，该技术在量子光学领域已经非常成熟。

A、B两地由长度为l的光纤相连。一号纠缠源和二号纠缠源分别位于A、B两地，采用相同波长的泵浦光和非线性介质以保证产生的纠缠光源波长分布一致。位于A地的一号纠缠源产生的信号光经过光纤环行器再通过光纤传递到B地，由探测器D2进行探测。光纤环行器的特点是光子从1端口进入，2端口输出；2端口进入，3端口输出。在A、B两地两个光纤环行器的帮助下，A、B两地的光子可以经过同一段光纤对向传输。一号纠缠源产生的闲置光由位于A地的探测器D1进行探测。位于A、B两地的时钟a和b分别被同步到两台事件计时器，事件计时器分别记录光子到达探测器D1、D2的时间{t_1j}和{t_2j}，j＝1，2，……N代表第j个光子。对位于B地的二号纠缠源进行类似操作，闲置光由位于B地的探测器D3进行探测，信号光经过光纤到达A地由探测器D4进行探测。光子到达D3和D4的时间为{t_3j}和{t_4j}。通过数据传递通道把{t_1j}、{t_2j}、{t_3j}、{t_4j}统一到一起。对{t_1j}、{t_2j}做互相关运算得到t₂-t₁；对{t_3j}、{t_4j}做互相关运算得到t₄-t₃。

t_a0和t_b0分别表示钟a和钟b的起始时间，两钟的钟差t₀＝t_b0–t_a0。Δt＝l/υ_g表示光子经过长度为l的光纤所需要的时间，υ_g表示光纤中光子的群速度。因此可以得到以下时间关系：t₂-t₁＝t_b0+Δt–t_a0，t₄-t₃＝t_a0+Δt–t_b0，两式相减可以得到a、b两钟的钟差t₀＝((t₂-t₁)-(t₄-t₃))/2。由此可见钟差的测量与光子在光纤中的传播时间没有关系，光纤路径的波动对钟差的测量没有影响。

本发明的实施例采用780nm连续激光泵浦1cm长的PPKTP晶体得到纠缠源；纠缠源信号光和闲置光的中心波长为1560nm；连接A、B两地的光纤长度为20km；单光子探测器D1、D2、D3、D4均采用探测效率是70％的超导单光子探测器，单光子计数率为6kHz；每组数据采集时间为5s，每组数据量为30000；通过互相关运算得到的时间差t₂-t₁和t₄-t₃的分辨率为10ps，经过73小时的测量，得到的时钟差t₀的稳定度为0.44ps，对应的平均时间是40496s。

Claims

1.一种基于频率纠缠光源的双向量子时间同步方法，其特征在于包括以下步骤：将波长相同的两个纠缠源分别置于需要进行时间同步的相对两地A和B；两个纠缠源产生的信号光分别经过一个光纤环形器后通过同一条光纤对向传输，由位于相对地点的探测器进行探测；两个纠缠源产生的闲置光由位于纠缠源统一地点的探测器进行探测；位于A、B两地的时钟a和b分别记录位于A地的纠缠源发出的光子到达A地探测器的时间{t_1j}和位于A地的纠缠源发出的光子到达B地探测器的时间{t_2j}，以及位于B地的纠缠源发出的光子到达A地探测器的时间{t_3j}和位于B地的纠缠源发出的光子到达B地探测器的时间{t_4j}，j代表第j个光子；对{t_1j}、{t_2j}做互相关运算得到t₂-t₁；对{t_3j}、{t_4j}做互相关运算得到t₄-t₃；计算得到时钟a和b的钟差t₀＝((t₂-t₁)-(t₄-t₃))/2。

2.根据权利要求1所述的基于频率纠缠光源的双向量子时间同步方法，其特征在于：所述的纠缠源采用780nm激光泵浦PPKTP晶体自发参量下转换产生频率纠缠源。