發(fā)布時(shí)間：2020-11-14 18:25

　　 遠(yuǎn)距離高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)在國防安全、導(dǎo)航定位、引力波探測及基礎(chǔ)科學(xué)研究等方面具有舉足輕重的作用。傳統(tǒng)時(shí)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(dá)時(shí)延的測量精度可以突破散粒噪聲極限,到達(dá)自然物理原理所能達(dá)到的最根本極限-量子力學(xué)的海森堡極限。因此利用量子糾纏源進(jìn)行的量子時(shí)間同步具有巨大的應(yīng)用前景。量子時(shí)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(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)間同步,是目前各個(gè)國家時(shí)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(jìn)行了同時(shí)測量。在此基礎(chǔ)上,對Sagnac效應(yīng)進(jìn)行了量子測量,并結(jié)合Sagnac效應(yīng)對傳送帶量子時(shí)間同步協(xié)議進(jìn)行了理論擴(kuò)展及實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證了色散補(bǔ)償光纖對糾纏光子對在光纖傳輸路徑中色散展寬的補(bǔ)償作用;比較了在1582nm波長處半導(dǎo)體單光子探測器及超導(dǎo)單光子探測器的性能,超導(dǎo)納米線單光子探測器的探測效率可高于50%,時(shí)間抖動(dòng)為79ps,暗計(jì)數(shù)為100Hz,相對于半導(dǎo)體探測器10%的探測效率,249ps的時(shí)間抖動(dòng)及2kHz的暗計(jì)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(jìn)行了同時(shí)測量。理論上推導(dǎo)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(shí)域分布,由于固有群速度時(shí)延的存在,信號光和閑置光在II類非線性晶體里存在時(shí)間差,導(dǎo)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(shí)被測量,實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了量子測量�；�于Sagnac效應(yīng)對傳送帶量子時(shí)間同步協(xié)議在理論上進(jìn)行了擴(kuò)展:在時(shí)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(shí)延差差值聯(lián)系起來,通過HOM二階量子干涉測量該時(shí)延差差值,就可以得到鐘差,從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。同時(shí)搭建了基于Saganc效應(yīng)的傳送帶量子時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的HOM干涉環(huán)路進(jìn)行了長時(shí)間的鎖定測量,評估了該系統(tǒng)具有fs量級的時(shí)間同步穩(wěn)定度,驗(yàn)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(shí)間同步系統(tǒng)中的HOM干涉環(huán)路的鎖定,實(shí)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(shí)研究并發(fā)現(xiàn)了在糾纏雙光子的符合計(jì)數(shù)率為70/s時(shí),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(shí)間同步提供支持。5.理論及實(shí)驗(yàn)上研究了級聯(lián)HOM干涉儀的雙光子干涉現(xiàn)象,并借助費(fèi)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(shí)延的量子測量方法,通過觀察HOM干涉圖譜的多個(gè)凹陷位置,就可以直觀地得到級聯(lián)HOM干涉儀的路徑時(shí)延差,實(shí)驗(yàn)上實(shí)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(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)位級別】：博士
【學(xué)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(shí)驗(yàn)上通過光柵單色??儀進(jìn)行雙光子琺合頻譜的測量，如圖１．１所示，當(dāng)雙光子聯(lián)合頻譜沿正對角線方??向的寬度大于沿負(fù)對角線方向的寬度，則為頻率正關(guān)聯(lián)；當(dāng)雙光子聯(lián)合頻譜沿正??對角線方向的寬度等于沿負(fù)對角線方向的寬度，則為頻ｉ率不關(guān)聯(lián)；當(dāng)雙光子聯(lián)合??頻譜纟ｍｎ對角線方向的寬度小于沿負(fù)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(shí)驗(yàn)上主要通過ＨＯＭ??干涉（二階量子午涉）的符合測量進(jìn)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(dá)探測??器１和探測器２進(jìn)行二階關(guān)聯(lián)平涉測量，通過符合測量裝置進(jìn)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(shí)間上的相關(guān)性，同時(shí)可以消除光強(qiáng)漲落的影??響。時(shí)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(dá)時(shí)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(jìn)行探??測，弁利用符合測量裝置進(jìn)行符合測暈－??根揭量子力學(xué)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(gè)理想的單光子探測器分別置于空何虐ｎ，ｒ２，且在ｆ?＝?０時(shí)刻受到??８??
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 梁斌;;棒線廠二級系統(tǒng)計(jì)算機(jī)時(shí)間同步解決方案[J];柳鋼科技;2016年06期

2 張奇瑋;賀國珠;彭猛;石斌;阮錫超;周祖英;朱興華;;GTAF的時(shí)間同步性測量[J];中國原子能科學(xué)研究院年報(bào);2016年00期

3 張忠山;王沛;賀仁杰;龍運(yùn)軍;;考慮星間鏈路的星地時(shí)間同步與上注調(diào)度的啟發(fā)式算法[J];全球定位系統(tǒng);2012年05期

4 林昌華;;時(shí)間同步的建立和保持[J];宇航計(jì)測技術(shù);1987年01期

5 李宗揚(yáng);張蔭柏;劉洪琴;;激光時(shí)間同步[J];宇航計(jì)測技術(shù);1987年01期

6 張蔭柏;;GPS 時(shí)間同步技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景[J];宇航計(jì)測技術(shù);1988年03期

7 趙娜;湯廷松;王冬霞;;遠(yuǎn)程時(shí)間同步性能標(biāo)定方法及試驗(yàn)驗(yàn)證[J];導(dǎo)航定位學(xué)報(bào);2017年01期

8 吳承治;吳先濤;;無線系統(tǒng)時(shí)間同步攻擊解析及防御[J];現(xiàn)代傳輸;2015年04期

9 韓瑋;張麗華;黃生睿;;火力發(fā)電廠時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探[J];電力建設(shè);2007年07期

10 曹秀利;生命與金錢[J];健康生活;1999年07期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 權(quán)潤愛;基于頻率一致糾纏源及二階量子干涉的時(shí)間同步研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時(shí)中心);2019年

2 翟藝偉;頻率糾纏源量子特性的測量及傳送帶量子時(shí)間同步的研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時(shí)中心);2019年

3 程善;網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有限時(shí)間同步及其相關(guān)問題的研究[D];上海大學(xué);2012年

4 張向利;基于以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)研究[D];華中科技大學(xué);2008年

5 任清榮;基于以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字接口技術(shù)研究[D];華中科技大學(xué);2008年

6 沈奇;量子通信中的精密時(shí)間測量技術(shù)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

7 肖志斌;高精度導(dǎo)航接收機(jī)的群時(shí)延建模、測量和校準(zhǔn)技術(shù)[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

8 王義君;面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步與尋址策略研究[D];吉林大學(xué);2012年

9 劉鳳威;無線通信變換域抗干擾關(guān)鍵技術(shù)[D];電子科技大學(xué);2016年

10 朱俊;基于星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星軌道確定及時(shí)間同步方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 程琳;復(fù)雜系統(tǒng)有限時(shí)間同步的間歇控制研究[D];江南大學(xué);2019年

2 張夢琳;局域無線時(shí)間同步系統(tǒng)信號捕獲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時(shí)中心);2019年

3 邱水寒;具有單權(quán)重和多權(quán)重的復(fù)雜動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的有限時(shí)間同步[D];天津工業(yè)大學(xué);2019年

4 孫林林;兩類非線性動(dòng)力系統(tǒng)的同步研究[D];北京交通大學(xué);2018年

5 唐榮強(qiáng);兩類耦合非線系統(tǒng)的固定時(shí)間同步與控制[D];重慶師范大學(xué);2018年

6 汪港;基于NTP和IEEE1588的海底觀測網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D];浙江大學(xué);2014年

7 張純笑;新一代智能變電站網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)脆弱性研究[D];華北電力大學(xué);2018年

8 趙硯秋;動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下大規(guī)模多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步研究[D];山東大學(xué);2018年

9 仝錫林;基于動(dòng)態(tài)路徑和變周期的時(shí)間同步協(xié)議設(shè)計(jì)[D];山東大學(xué);2018年

10 王運(yùn)鈺;WSN低能耗時(shí)間同步技術(shù)研究[D];西北師范大學(xué);2018年

本文編號：2883812