高精度時(shí)間同步在精密計(jì)量、深空探測、全球?qū)Ш蕉ㄎ�、引力波探測等前沿科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮著舉足輕重的作用。我國在十二五期間已將時(shí)間頻率體系建設(shè)列入發(fā)展規(guī)劃,并已開始建設(shè)性能卓越的全球北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和國家PNT(時(shí)間、定位和導(dǎo)航)系統(tǒng);圍繞基礎(chǔ)物理研究需求,2022年我國將在中國空間站研制并運(yùn)行高精度時(shí)間頻率實(shí)驗(yàn)柜;國家自然基金委設(shè)立了精密測量物理重大研究計(jì)劃等。上述計(jì)劃任務(wù)均需要發(fā)展優(yōu)于皮秒量級(jí)的時(shí)間同步技術(shù)。量子時(shí)間同步是量子光學(xué)、量子信息和時(shí)間頻率交叉的新領(lǐng)域,利用具有糾纏和壓縮等量子特性的光脈沖信號(hào)和高靈敏量子探測技術(shù),可大大提高現(xiàn)有系統(tǒng)的時(shí)間同步精度,基于通道間的頻率糾纏特性,量子時(shí)間同步還可消除傳播路徑中色散對(duì)同步精度的影響。同時(shí),借助量子糾纏源的獨(dú)有特點(diǎn),還可以開發(fā)出安全的時(shí)間同步協(xié)議。鑒于以上特點(diǎn),量子時(shí)間同步是本世紀(jì)以來量子精密測量領(lǐng)域的重要研究方向之一,也被認(rèn)為是更高精度的時(shí)間頻率傳遞前瞻性技術(shù)。頻率一致糾纏光源由于在量子干涉測量過程中具有高時(shí)間分辨率及色散消除等特性,是量子時(shí)間同步、量子相干層析等量子信息技術(shù)中的重要物理光源。本論文基于通信波段的頻率一致糾纏光源開展量子時(shí)間同步方面的理論與實(shí)驗(yàn)研究,首次從理論上對(duì)二階量子干涉時(shí)間同步系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度進(jìn)行量化分析,并基于實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的高效頻率糾纏光源,國際上首次在4公里光纖距離上獲得了亞皮秒級(jí)的量子時(shí)間同步精度,利用超導(dǎo)單光子探測器在6公里的光纖距離上獲得時(shí)間同步穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)。與此同時(shí),開發(fā)適用于遠(yuǎn)程量子時(shí)間同步的非定域鐘差測量算法是量子時(shí)間同步技術(shù)發(fā)展的必要條件,本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于事件計(jì)時(shí)器的高精度鐘差測量算法,為實(shí)地亞皮秒量級(jí)時(shí)間同步系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供可行的測量手段。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.設(shè)計(jì)并構(gòu)建了量子時(shí)間同步原理演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)�；贖ong Ou Mandel(HOM)干涉儀實(shí)現(xiàn)待同步鐘兩地到基站的路徑平衡鎖定后,兩路的鐘差由糾纏雙光子到達(dá)時(shí)間的二階關(guān)聯(lián)分布獲得。本系統(tǒng)包括路徑平衡鎖定及鐘差測量裝置兩部分,并采用秒脈沖信號(hào)對(duì)鐘差測量系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估。理論上首次量化分析了影響時(shí)間同步穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的物理參數(shù),其中準(zhǔn)確度源于糾纏光子對(duì)的波長不簡并以及傳輸路徑的二階色散共同作用,穩(wěn)定度目前主要受探測到的糾纏雙光子的波包色散展寬及符合計(jì)數(shù)率的影響。2.國際上首次報(bào)道了亞皮秒量級(jí)的量子時(shí)間同步原理演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。基于半導(dǎo)體單光子探測器,在實(shí)現(xiàn)4 km光纖距離的路徑長度反饋鎖定基礎(chǔ)上,得到鐘差測量的準(zhǔn)確度為73.2 ps,時(shí)間同步穩(wěn)定度在1000 s時(shí)為1.5 ps,積分時(shí)間16000 s達(dá)到0.44 ps;基于超導(dǎo)納米線單光子探測器,在6 km光纖距離上測得鐘差的偏移量為13 ps。積分時(shí)間為100 s時(shí)的時(shí)間同步穩(wěn)定度為0.81 ps,當(dāng)積分時(shí)間為25600 s時(shí),時(shí)間同步穩(wěn)定度為60 fs,理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。3.為了解決傳統(tǒng)符合測量裝置其測量范圍及分辨率受雙光子傳輸距離限制的問題,為量子時(shí)間同步的實(shí)地應(yīng)用提供必要的測量手段,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于頻率糾纏雙光子的非定域鐘差測量算法,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分辨率可調(diào)的非定域符合測量,分辨率最小達(dá)到1 ps。利用事件計(jì)時(shí)器采集糾纏光子到達(dá)時(shí)間信號(hào),并對(duì)信號(hào)進(jìn)行二階關(guān)聯(lián)運(yùn)算得到糾纏光子對(duì)的符合分布。基于本算法,得到時(shí)間差單次測量的測量精度0.79 ps,文中分析了影響計(jì)算精度的因素,并簡要介紹了本算法的部分應(yīng)用及已取得的成果。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時(shí)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O431.2;TM935.1
【部分圖文】：

種主要的基于頻率糾纏源的量子時(shí)間同步方法. 單向量子時(shí)間同步方案：2004 年，馬里蘭大學(xué)的 Yanhua Shih 等提光子對(duì)二階關(guān)聯(lián)測量 (直接符合測量) 的量子時(shí)間同步協(xié)議[34]。假與鐘 A 均在地面實(shí)驗(yàn)室，鐘 B 在空間站。頻率糾纏雙光子源被分置光，信號(hào)光被發(fā)送到空間站，事件計(jì)時(shí)器記錄光子的到達(dá)時(shí)間并通道傳回地面站，地面實(shí)驗(yàn)室的事件計(jì)時(shí)器記錄閑置光的到達(dá)時(shí)間光子到達(dá)時(shí)間進(jìn)行二階關(guān)聯(lián)計(jì)算得到兩路信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。由計(jì)時(shí)器的參考信號(hào)來自于各自的時(shí)鐘信號(hào)，通過測量或已知傳輸群速度大小的情況下，即可解算出兩地的鐘差。基于該協(xié)議的原理也已同步開展，在實(shí)驗(yàn)室 3 km 的盤纖上獲得鐘差的測量精度為 1有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡單易行，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，還可用于基于量子脈沖的定位系統(tǒng)中，但時(shí)間傳遞過程易于受傳輸路徑的時(shí)延抖動(dòng)及二階的測量誤差影響，當(dāng)路徑時(shí)延抖動(dòng)較大時(shí)，時(shí)間差測量精度也較低

入 Hong-Ou-Mandel(HOM) 干涉儀[36]進(jìn)行二階量子干涉，從而將延差與鐘差聯(lián)系起來，通過比較 HOM 干涉最低點(diǎn)的位置變化，。該協(xié)議的特點(diǎn)是由于頻率糾纏源在 HOM 干涉儀中的色散消除的色散對(duì)測量鐘差的精度沒有影響，系統(tǒng)中的勻速時(shí)延產(chǎn)生裝制精度最終決定了鐘差的測量精度。于該協(xié)議，中科院物理所范桁研究小組提出了近地軌道的量子。待同步的時(shí)鐘 A 和時(shí)鐘 B 分別放置在地球上的基站和衛(wèi)星上源被用于時(shí)間同步系統(tǒng)中作為光源，兩個(gè)鐘的鐘差信號(hào)由移動(dòng)過測量 HOM 干涉儀之后的符合計(jì)數(shù)率精確提取出來。最終得由糾纏光源的參數(shù)及衛(wèi)星高度決定，該協(xié)議中還分析了地球引沖的影響，通過消除糾纏光子的引力紅移和藍(lán)移，時(shí)間同步的精提高。但在目前的條件下，該協(xié)議中勻速時(shí)延產(chǎn)生裝置的速度大精度是制約其精度的主要因素之一。

圖 1.3 光纖雙向量子時(shí)間同步方案的原理示意圖 1.3 The schemetic of fiber based two-way quantum clock synchronization a基于二階量子干涉的時(shí)間同步方案：鑒于 HOM 干涉儀在干涉兩有最低符合計(jì)數(shù)的特點(diǎn)，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的 Bahder 和 Goldi糾纏光子二階量子干涉的時(shí)間同步協(xié)議[38]，該協(xié)議中糾纏光子對(duì)被置于地面站，待兩步的兩個(gè)鐘分別在兩個(gè)空間站，糾纏光子對(duì)一部分糾纏光子對(duì)被發(fā)射到兩個(gè)空間站并反射回基站的 HOM 干衡待同步的兩個(gè)鐘所在地與基站之間的路徑，另外一部分糾纏兩個(gè)待同步鐘的位置，通過調(diào)節(jié)基站與其中一個(gè)待同步鐘地之散使得兩地到基站的時(shí)延相等，此時(shí)兩地間的鐘差可直接通過階關(guān)聯(lián)測量得到。該協(xié)議中無需知道兩個(gè)鐘的相對(duì)位置，也無需介質(zhì)色散及路徑長度，時(shí)間同步精度僅受限于路徑平衡鎖定系度 (在飛秒量級(jí))，因此，在遠(yuǎn)距離的高精度時(shí)鐘同步中具有重要
【參考文獻(xiàn)】

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1 王盟盟;權(quán)潤愛;邰朝陽;侯飛雁;劉濤;張首剛;董瑞芳;;通信波長頻率一致糾纏光源的頻譜測量[J];物理學(xué)報(bào);2014年19期

2 張羽;權(quán)潤愛;白云;侯飛雁;劉濤;張首剛;董瑞芳;;超短脈沖抽運(yùn)下頻率一致糾纏光源量子特性實(shí)驗(yàn)研究[J];物理學(xué)報(bào);2013年14期

本文編號(hào)：2846343