CN116192320A - 波分复用的量子时间同步控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的波分复用的量子时间同步控制方法，通过量子时间同步***测量分布式传感***任意两点位之间时间基准的实时钟差，通过波分复用量子纠缠分发***实现分布式传感***所有点位之间的钟差起伏，根据钟差计算结果控制分布式传感***的延时线，使所有传感单元之间始终保持时间同步，实现体系叠加效能的充分发挥。本项目作为一种协同手段，为联合光谱成像等分布式传感***提供时间同步机制，预期将在气象预警、水文监测、海洋测绘、电力监控等领域得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于量子测量、量子通信和信号处理的交叉学科，具体是指一种利用波分复用量子纠缠分发***测量多个点位的钟差、通过主动控制完成多个点位时间同步、实现分布式测量***钟差归零控制的方法，尤其涉及一种波分复用的量子时间同步控制方法。
背景技术
相参累积又称相干累积、中频累积，其核心是比照相邻脉冲信号相位关系、通过脉冲累积提升信噪比。相参累积技术能够提升分布式传感***（或称为测量网络）的性能，使分布布设的各种测量设备保持高度协同，无论对同一目标的联合测量还是对不同目标的分别测量均能大幅提升性能。对于联合目标测量等应用领域，各测量单元之间的时间基准需要达到高度一致，时间同步程度越高，测量距离或测量精度的叠加效果越接近理想值。
量子时间同步是指通过量子信号为异地用户提供时间校准，具有高可靠性、高精度和高安全性等特征，高可靠性体现在基于单光子的量子时间同步天然具备对抗强电磁干扰能力，在电磁压制的情况下仍然具备时间同步能力；高精度体现在量子时间同步比经典时间同步更接近海森堡精度极限；高安全性体现在量子信号传输同样属于量子通信范畴，亦即同样具备对抗信道攻击的能力。现阶段量子时间同步***最终输出结果为各点位钟差信号，如果将钟差信号作为输入变量控制各分布式传感***使其保持时间尺度的高度一致时，分布式传感***将会充分发挥其体系叠加的效能。
发明内容
针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何利用波分复用量子纠缠分发***为分布式传感***任意两节点分发纠缠光子，利用基于纠缠光子的量子时间同步***测量分布式传感***各点位之间的相对钟差并通过延时线控制，实现分布式传感***各点位之间的高精度实时时间同步。
本发明的目的在于提供一种波分复用的量子时间同步控制方法，利用基于纠缠的双向传输量子时间同步协议，实现分布式传感***任意两点之间的钟差解算，利用波分复用***实现分布式传感***某一点位与其他所有点位之间的钟差解算，根据钟差起伏情况，控制可调谐延迟线，直至分布式传感***中所有点位时间基准的钟差控制在量子时间同步精度误差内。
优选的，上述分布式传感***包括A、B、C三个点位，每个点位各部署一个多波长纠缠光源，纠缠光源能够分发两对不同波长的纠缠光子。
优选的，上述A点位的多波长纠缠光源产生两对纠缠光子，从互相纠缠的两对光子中各选一个纠缠光子输入本地单光子探测器，另一个通过环形器输出到波分复用***中，通过波分复用***分别输入给B点位和C点位的单光子探测器。
优选的，上述A点位处获取A与B、A与C的钟差后，控制可调谐延迟线，将微型原子钟输出的时钟信号进行轻微延迟，直至A与B或A与C任意一组钟差被修正至无法辨析的零值。
优选的，在B点位处进行可调谐延迟线控制，直至剩余钟差也被修正至无法辨析的零值，此时A、B、C三个分布式传感***点位之间的时间达到同步。
优选的，上述方法具体包括以下步骤：
S1、构建波分复用量子时间同步网络，利用基于纠缠的双向传输量子时间同步协议或其他量子时间同步协议实现点对点钟差测量，利用波分复用***实现多节点钟差测量；
S2、在各节点高性能时钟的输出端设置可调谐延迟线，根据符合计数器测量获得的钟差数据，精密控制可调谐延迟线的光学延迟，形成钟差测量-控制信号-光学延迟-钟差测量的负反馈机制，直至将各点位之间的钟差控制在量子时间同步***极限精度的零值；
S3、以波分复用的量子时间同步控制网络为时间基准参考，控制分布式传感***之间的信号协同，使其传感性能能够按照近理想状态达到体系效能增强。
优选的，上述S1中通过多波长纠缠光源、波分复用***、光学干涉仪、单光子探测器、符合计数器、光学环形器、高性能时钟搭建量子时间同步网络。
优选的，上述量子同步将时间同步信号编译到量子态上，通过量子态保真无损传输实现时钟同步，时间同步双方需配备高精准时钟并以此时钟作为量子通信的基准时钟。
优选的，上述方法包括多个传感节点，每个传感节点能够独立地测量某一物理量，通过两个传感节点的信息协同能够提升传感性能。
本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，本发明提出一种基于波分复用的量子时间同步网络方法，能够将传统的点对点量子时间同步转换为网络化量子时间同步，为量子授时***提供重要参考；
其次，本发明提出的可调谐延迟线控制技术，是一种在物理层面实现时间同步的技术，改变了以往量子时间同步***单纯解算钟差的方法；
最后，本发明提出将量子时间同步网络和控制***应用于分布式传感***的设计构想，确保了联合光谱成像等各种分布式信息***能够充分发挥组网协同的效能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明波分复用的量子时间同步控制方法的一实施例示意图；
图2示出了本发明波分复用的量子时间同步控制网络的具体实施例示意图；
图3示出了本发明波分复用的量子时间同步控制方法的另一实施例示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，本发明提供了一种波分复用的量子时间同步控制方法的实施例，包括：
S101、点对点量子时间同步测量，利用基于纠缠的双向传输量子时间同步协议，实现分布式传感***任意两点之间的钟差解算；
S102、网络化量子时间同步测量，利用波分复用***实现分布式传感***某一点位与其他所有点位之间的钟差解算；
S103、量子时间同步控制实现，根据钟差起伏情况，控制可调谐延迟线，直至分布式传感***中所有点位时间基准的钟差控制在量子时间同步精度误差内。
在一些实施例中，分布式传感***包括多个传感节点，每个传感节点能够独立地测量某一物理量，通过两个传感节点的信息协同能够提升传感性能。
在一些优选的实施例中，分布式传感***包括A、B、C三个点位，每个点位各部署一个多波长纠缠光源，纠缠光源能够分发两对不同波长的纠缠光子。
在一些实施例中，A点位的多波长纠缠光源产生两对纠缠光子，从互相纠缠的两对光子中各选一个纠缠光子输入本地单光子探测器，另一个通过环形器输出到波分复用***中，通过波分复用***分别输入给B点位和C点位的单光子探测器。
在一些实施例中，A点位处获取A与B、A与C的钟差后，控制可调谐延迟线，将微型原子钟输出的时钟信号进行轻微延迟，直至A与B或A与C任意一组钟差被修正至无法辨析的零值。
在一些实施例中，在B点位处进行可调谐延迟线控制，直至剩余钟差也被修正至无法辨析的零值，此时A、B、C三个分布式传感***点位之间的时间达到同步。
如图2所示，本实施例还提供一种波分复用的量子时间同步控制网络，实施步骤为：
1. 分布式传感***包括A、B、C三个点位，每个点位各部署一个多波长纠缠光源，纠缠光源能够分发两对不同波长的纠缠光子；
2. A点的多波长纠缠光源产生两对纠缠光子，从互相纠缠的两对光子中各选一个纠缠光子输入本地单光子探测器，另一个通过环形器输出到波分复用***中，通过波分复用***分别输入给B和C点的单光子探测器；
3. 以本地微型原子钟为时间基准，通过时间间隔计数器进行符合测量，即可获取A与B、A与C之间的钟差，分布式传感***点位数为N时，需要使用到的多波长纠缠光源需要提供N-1对纠缠光子；
4. A处获取A与B、A与C的钟差后，控制可调谐延迟线，将微型原子钟输出的时钟信号进行轻微延迟，直至A与B或A与C任意一组钟差被修正至无法辨析的零值；
5. 在B处进行可调谐延迟线控制，直至剩余钟差也被修正至无法辨析的零值，此时A、B、C三个分布式传感***点位之间的时间达到同步（无法辨析的零值是指存在一定的钟差但该钟差已无法通过量子时间同步***解算）。
如图3所示，本实施例展示了波分复用的量子时间同步控制方法实施例，具体包括：
S201、构建波分复用量子时间同步网络，通过多波长纠缠光源、波分复用***、光学干涉仪、单光子探测器、符合计数器、光学环形器、高性能时钟等设备搭建量子时间同步网络，利用基于纠缠的双向传输量子时间同步协议或其他量子时间同步协议实现点对点钟差测量，利用波分复用***实现多节点钟差测量；
S202、在各节点高性能时钟的输出端设置可调谐延迟线，根据符合计数器测量获得的钟差数据，精密控制可调谐延迟线的光学延迟，形成钟差测量-控制信号-光学延迟-钟差测量的负反馈机制，直至将各点位之间的钟差控制在量子时间同步***极限精度的零值；
S203、以波分复用的量子时间同步控制网络为时间基准参考，控制分布式传感***之间的信号协同，使其传感性能能够按照近理想状态达到体系效能增强效果，例如联合光谱测量距离接近理论计算的3dB增益。
本发明还提供一种波分复用的量子时间同步控制方法的实施例，通过量子时间同步***测量分布式传感***任意两点位之间时间基准的实时钟差，通过波分复用量子纠缠分发***实现分布式传感***所有点位之间的钟差起伏，根据钟差计算结果控制分布式传感***的延时线，使所有传感单元之间始终保持时间同步，实现体系叠加效能的充分发挥。
在一些实施例中，量子时间同步是将时间同步信号编译到量子态上，通过量子态保真无损传输实现时钟同步，时间同步双方需配备高精准时钟并以此时钟作为量子通信的基准时钟；量子时间同步具有比经典时间同步更高的精度，时钟同步信号能够兼容于量子通信具备的安全性，以光量子为载体的量子时间同步具有抗电磁干扰能力。
在一些实施例中，不限定量子时间同步的具体方案和参数指标，不限定量子时间同步***的具体实现方式和标准协议。
在一些实施例中，时间同步控制是在各节点高性能时钟的输出端设置可调谐延迟线，根据符合计数器测量获得的钟差数据，精密控制可调谐延迟线的光学延迟，形成钟差测量-控制信号-光学延迟-钟差测量的负反馈机制，直至将各点位之间的钟差控制在量子时间同步***极限精度的零值，不限定可调谐延迟线的光学结构，不限定上述负反馈的数据流程。
在一些实施例中，分布式传感包括多个传感节点，每个传感节点能够独立地测量某一物理量，通过两个传感节点的信息协同能够提升传感性能，传感节点测量的物理量可以是电场、磁场、温度、重力场、光场、电磁场回波等，传感性能提升包括但不限于精度提升、目标辨识能力提升、测量距离提升、信噪比提升、抗干扰能力提升，凡通过多点位高精度时间同步实现信号精准控制并使分布式传感性能优于单点传感性能的技术均属于本发明权利要求范围。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，本发明提出一种基于波分复用的量子时间同步网络方法，能够将传统的点对点量子时间同步转换为网络化量子时间同步，为量子授时***提供重要参考；
其次，本发明提出的可调谐延迟线控制技术，是一种在物理层面实现时间同步的技术，改变了以往量子时间同步***单纯解算钟差的方法；
最后，本发明提出将量子时间同步网络和控制***应用于分布式传感***的设计构想，确保了联合光谱成像等各种分布式信息***能够充分发挥组网协同的效能。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，利用基于纠缠的双向传输量子时间同步协议，实现分布式传感***任意两点之间的钟差解算，利用波分复用***实现分布式传感***某一点位与其他所有点位之间的钟差解算，根据钟差起伏情况，控制可调谐延迟线，直至分布式传感***中所有点位时间基准的钟差控制在量子时间同步精度误差内。
2.根据权利要求1所述的波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，所述分布式传感***包括A、B、C三个点位，每个点位各部署一个多波长纠缠光源，纠缠光源能够分发两对不同波长的纠缠光子。
3.根据权利要求2所述的波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，所述A点位的多波长纠缠光源产生两对纠缠光子，从互相纠缠的两对光子中各选一个纠缠光子输入本地单光子探测器，另一个通过环形器输出到波分复用***中，通过波分复用***分别输入给B点位和C点位的单光子探测器。
4.根据权利要求2所述的波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，所述A点位处获取A与B、A与C的钟差后，控制可调谐延迟线，将微型原子钟输出的时钟信号进行轻微延迟，直至A与B或A与C任意一组钟差被修正至无法辨析的零值。
5.根据权利要求2所述的波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，在B点位处进行可调谐延迟线控制，直至剩余钟差也被修正至无法辨析的零值，此时A、B、C三个分布式传感***点位之间的时间达到同步。
6.根据权利要求1所述的波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1、构建波分复用量子时间同步网络，利用基于纠缠的双向传输量子时间同步协议或其他量子时间同步协议实现点对点钟差测量，利用波分复用***实现多节点钟差测量；
S2、在各节点高性能时钟的输出端设置可调谐延迟线，根据符合计数器测量获得的钟差数据，精密控制可调谐延迟线的光学延迟，形成钟差测量-控制信号-光学延迟-钟差测量的负反馈机制，直至将各点位之间的钟差控制在量子时间同步***极限精度的零值；
S3、以波分复用的量子时间同步控制网络为时间基准参考，控制分布式传感***之间的信号协同，使其传感性能能够按照近理想状态达到体系效能增强。
7.根据权利要求6所述的波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，所述S1中通过多波长纠缠光源、波分复用***、光学干涉仪、单光子探测器、符合计数器、光学环形器、高性能时钟搭建量子时间同步网络。
8.根据权利要求6所述的波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，所述量子同步将时间同步信号编译到量子态上，通过量子态保真无损传输实现时钟同步，时间同步双方需配备高精准时钟并以此时钟作为量子通信的基准时钟。
9.根据权利要求1所述的波分复用的量子时间同步控制方法，其特征在于，所述方法包括多个传感节点，每个传感节点能够独立地测量某一物理量，通过两个传感节点的信息协同能够提升传感性能。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-9任一项所述方法。
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