發(fā)布時間：2020-11-14 18:25

　　 遠距離高精度的時間同步系統(tǒng)在國防安全、導航定位、引力波探測及基礎(chǔ)科學研究等方面具有舉足輕重的作用。傳統(tǒng)時間同步方法的精度受限于經(jīng)典測量的散粒噪聲極限,而在量子系統(tǒng)中,一對處于糾纏態(tài)的光子因其糾纏特性,信號脈沖到達時延的測量精度可以突破散粒噪聲極限,到達自然物理原理所能達到的最根本極限-量子力學的海森堡極限。因此利用量子糾纏源進行的量子時間同步具有巨大的應(yīng)用前景。量子時間同步協(xié)議利用糾纏源的非經(jīng)典特性及高靈敏度的量子測量技術(shù),實現(xiàn)了高精度的時間同步,是目前各個國家時頻體系的重要研究方向。本文利用飛秒脈沖激光泵浦非線性PPKTP晶體,通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了頻率正關(guān)聯(lián)糾纏光子對,并利用Mach-Zehnder(MZ)干涉儀對糾纏源量子特性進行了同時測量。在此基礎(chǔ)上,對Sagnac效應(yīng)進行了量子測量,并結(jié)合Sagnac效應(yīng)對傳送帶量子時間同步協(xié)議進行了理論擴展及實驗研究。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.對頻率正關(guān)聯(lián)糾纏源的產(chǎn)生裝置進行了優(yōu)化,分析獲得了泵浦光在輸出功率一定的情況下,入射到PPKTP晶體中的最佳聚焦尺寸;對糾纏光子對在光纖傳輸路徑中的損耗和色散進行了分析,在此基礎(chǔ)上驗證了色散補償光纖對糾纏光子對在光纖傳輸路徑中色散展寬的補償作用;比較了在1582nm波長處半導體單光子探測器及超導單光子探測器的性能,超導納米線單光子探測器的探測效率可高于50%,時間抖動為79ps,暗計數(shù)為100Hz,相對于半導體探測器10%的探測效率,249ps的時間抖動及2kHz的暗計數(shù),在對糾纏光子的探測上具有很大的優(yōu)勢。2.利用Mach-Zehnder(MZ)干涉儀對制備的頻率正關(guān)聯(lián)糾纏源的量子特性(頻譜不可分性和頻率糾纏度)進行了同時測量。理論上推導了脈沖泵浦條件下II類自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的糾纏雙光子源的時域分布,由于固有群速度時延的存在,信號光和閑置光在II類非線性晶體里存在時間差,導致MZ干涉圖譜出現(xiàn)中心振蕩包絡(luò)及包絡(luò)兩側(cè)的Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉的邊帶凹陷,通過測量HOM凹陷的深度和兩凹陷之間的距離以及中心包絡(luò)的寬度,頻譜不可分性和頻率糾纏度就可以同時被測量,實驗上得到頻率正關(guān)聯(lián)糾纏源的頻譜不可分性VHOM=0.52±0.02,頻率糾纏度Rt=15.8±0.8。3.利用頻率正關(guān)聯(lián)糾纏源對Sagnac效應(yīng)進行了量子測量�；�于Sagnac效應(yīng)對傳送帶量子時間同步協(xié)議在理論上進行了擴展:在時鐘兩地分別引入相同的Sagnac環(huán)A和Sagnac環(huán)B,將鐘差與Sagnac環(huán)A和Sagnac環(huán)B的時延差差值聯(lián)系起來,通過HOM二階量子干涉測量該時延差差值,就可以得到鐘差,從而實現(xiàn)時鐘同步。同時搭建了基于Saganc效應(yīng)的傳送帶量子時間同步協(xié)議的實驗系統(tǒng),對實驗系統(tǒng)的HOM干涉環(huán)路進行了長時間的鎖定測量,評估了該系統(tǒng)具有fs量級的時間同步穩(wěn)定度,驗證了此協(xié)議的可行性。4.提出了側(cè)邊鎖定的方法來優(yōu)化量子時間同步系統(tǒng)中的HOM干涉環(huán)路的鎖定,實現(xiàn)了更快的環(huán)路鎖定反饋速率,更高的鎖定信噪比及更好的環(huán)路鎖定穩(wěn)定度。同時研究并發(fā)現(xiàn)了在糾纏雙光子的符合計數(shù)率為70/s時,HOM干涉環(huán)路鎖定長期穩(wěn)定度依然在fs量級,為更長距離更高精度的量子時間同步提供支持。5.理論及實驗上研究了級聯(lián)HOM干涉儀的雙光子干涉現(xiàn)象,并借助費曼圖解釋了雙光子態(tài)在入射級聯(lián)50/50分束器后的出射情況;基于此二階量子干涉現(xiàn)象提出了一種時延的量子測量方法,通過觀察HOM干涉圖譜的多個凹陷位置,就可以直觀地得到級聯(lián)HOM干涉儀的路徑時延差,實驗上實現(xiàn)了亞皮秒量級的測量精度及飛秒量級的測量穩(wěn)定度。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院國家授時中心)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O413
【部分圖文】：

圖１．１頻率關(guān)聯(lián)類型圖??

１．１．１糾纏類型??頻率糾纏源類型的測量通常是在波長域?qū)崿F(xiàn)。我們在實驗上通過光柵單色??儀進行雙光子琺合頻譜的測量，如圖１．１所示，當雙光子聯(lián)合頻譜沿正對角線方??向的寬度大于沿負對角線方向的寬度，則為頻率正關(guān)聯(lián)；當雙光子聯(lián)合頻譜沿正??對角線方向的寬度等于沿負對角線方向的寬度，則為頻ｉ率不關(guān)聯(lián)；當雙光子聯(lián)合??頻譜纟ｍｎ對角線方向的寬度小于沿負對角線方向的寬度，則為頻率反關(guān)聯(lián)。??（ａ）頻率正關(guān)聯(lián)?（ｂ）頻率不關(guān)聯(lián)?（Ｃ）頻率反關(guān)聯(lián)??｜ｙｘ?］?Ｘ?ＩＸ??Ａ?Ａ?Ａ??圖１．１頻率關(guān)聯(lián)類型圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｔｈｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｖａｒｉｅｓ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ??１．１．２頻譜不可分性??頻率糾纏源的頻譜不可分性是指自發(fā)參釁下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生糾纏光子對的信??號光（ｓｉｇｎａｌ）和閘置光（ｉｄｌｅｒ）的頻譜重合度目前實驗上主要通過ＨＯＭ??干涉（二階量子午涉）的符合測量進行頻譜不可分性的度量１＠，如圖Ｌ２所示，??信號光ｓｉｇｎａｌ和閑置光ｉｄｌｅｒ分別入射到５０／５０分束器上，干涉后靖號到達探測??器１和探測器２進行二階關(guān)聯(lián)平涉測量，通過符合測量裝置進行符合測量，得到??ＨＯＭ于涉的寧涉可見度??雙光子態(tài)的ＨＯＭ干涉可見度可以描述為??Ｖ?ｆ?ｆ?ｄａ）ｓｄａ）ｉ＼Ａ（ｗｓ，ａ）ｉ）Ａ（ｗｉ，＾）｜?（ｉ??ｆ?ｆ?ｄ〇）ｓｄａ）ｉ＼Ａ｛ａ）ｓ

間的關(guān)聯(lián)測暈，它體現(xiàn)了光子對在時間上的相關(guān)性，同時可以消除光強漲落的影??響。時間上的相關(guān)性測量是利用符合測量裝置記錄光子對信號之間的到達時間??差。如圖１．４是直接符合測量的示意圖，－對光子分別利甩單光子探測器進行探??測，弁利用符合測量裝置進行符合測暈－??根揭量子力學的處理方法，光子對的符合測量可以由二階量子關(guān)聯(lián)函數(shù)Ｇ（２）??表示。假定兩個理想的單光子探測器分別置于空何虐ｎ，ｒ２，且在ｆ?＝?０時刻受到??８??
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本文編號：2883812