CN109547145A - 基于偏振纠缠ghz态的二分迭代时钟同步系统和方法 - Google Patents

基于偏振纠缠ghz态的二分迭代时钟同步系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统，包括第一同步方、第二同步方和发射方；所述第一同步方和第二同步方通过经典信道连接，发射方和第一同步方通过量子信道连接，发射方和第二同步方通过量子信道和经典信道连接；其中，所述发射方实现三光子偏振纠缠GHZ态的制备，并对其中一个光子偏振态进行测量；所述第一同步方与第二同步方执行对另外两个光子偏振态的测量，且第二同步方与发射方对比测量结果以获取第一同步方、第二同步方之间的测量先后信息。该光信号的传输为单向传输，对信号各个方向的传输速度没有要求，所受限制更少，在传输过程中受到的光纤不稳定因素影响更小。

Description

基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统和方法
技术领域
本发明涉及量子信息以及光通信技术领域，具体涉及一种基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统和方法。
背景技术
高精度的时钟同步在基础科研、信息安全、通信、导航和国土安全等诸多应用中发挥着重要作用。而随着现代原子钟技术的不断发展，时钟的准确度已经达到了10-18s。相比之下，时钟同步技术的精度则只有10-9s，远未达到时钟本身的准确度。在精密时间的应用中，时钟同步技术的分辨率和精确度成为了主要限制因素。因此，提高时钟同步技术的精度的研究越来越受到研究者们的关注。
空间分离时钟的时间同步有两种经典方法：Eddington慢时钟传输法和爱因斯坦光信号交换同步法。在Eddington慢时钟传输中，两个同位时钟最初是同步的，然后这些时钟中的一个被缓慢地传送到另一个位置以同步另一个时钟。对于当今大多数的技术应用来说，这种方法并不实用。首先，它需要对硬件进行传输，成本和效率难以满足实际应用要求。其次，技术要求相互冲突：一方面，时钟传输过程必须尽可能慢，以减少因相对论效应引起的时间膨胀的影响；但另一方面，因为不可避免的时间误差以及有限的频率稳定性，又必须尽快的完成传输过程以避免产生重大的时间误差。这些因素都使得Eddington慢时钟传输法的同步精度和和效率难以提高，限制了其在实际中的应用。
现阶段广泛应用的时间同步技术主要基于爱因斯坦协议，这是一个双向协议，在两个空间分离的时钟之间要进行经典光信号的往返交换。但是爱因斯坦协议必须满足两个条件：(1)单程光速的精确值已知；(2)确保在每个方向上的信号传输速度是相同的。除此之外，对于爱因斯坦时钟同步协议来说，时间同步可能达到的精度由测量脉冲到达时间的准确度Δt决定。因此，经典方法的同步精度受限于Δt的经典极限——散粒噪声极限。
为了使时钟同步的精度突破散粒噪声极限的测量精度限制，近年来，提出了几种基于量子力学原理的时钟同步方案。我们希望量子力学方法能提供比经典方法更高的时钟同步精度。
2001年Chuang提出了一种量子时钟同步算法(QCS)，在仅交换n个量子位的情况下，得到了钟差ΔT的n位精度数。与经典算法相比，该量子算法获得了指数级的改进，但该算法依赖于量子计算，在量子计算成熟之前很难这些协议很难在实际的环境中实用化。
2004年Bahder和Golding等提出了基于二阶量子干涉效应的量子同步方案。该方案使用纠缠光作光信号，使用HOM干涉仪测量光信号间的相对偏移，有着较高的同步精度。但该方案中光信号同样为双向传输，必须确保在每个方向上的信号传输速度相同，一定程度上限制了其实用性。
在现有技术中，如专利201611081905.1试图利用光纤时间同步方法在接收端得到的时间信号具有准确度高的优点，准确地实现时间同步，但难以突破散粒噪声极限。
而在现有技术中，如专利201810436641.X试图利用频率纠缠光源作为时间信号的载体，从而突破散粒噪声极限，但却采用了双向传输，不可避免地对光信号沿光纤不同方向的传播速度有很高的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种单向传输、高精度且精度可调的基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统和方法。
所述偏振纠缠GHZ态即量子态为的三光子偏振纠缠态，其中，|H>代表水平偏振态，|V>代表竖直偏振态，为归一化系数。根据量子力学理论，对该纠缠态中任意一个光子的偏振态的测量都将导致剩余两个光子的偏振态坍缩到相同的状态。即对任意一个光子进行偏振态测量，都将使态以均等的概率坍缩到φ1＝|H>H>|H>或φ2＝|V>|V>|V>。且不同的测量基将会使纠缠态坍缩到不同的测量基底上。例如，对所述纠缠态进行Z基(即水平和竖直方向)测量，则光子偏振方向也会以均等概率坍缩到水平或竖直方向。相应的，对所述纠缠态进行X基(即45度和135度方向)测量，则光子偏振方向会以均等概率坍缩到45度或135度方向。若三个测量者中，两个测量者选择相同的测量基，其余一个测量者选择与之不同的测量基，就可以根据测量结果判断出选择不同测量基底的两方的测量先后顺序。
所述二分迭代是一种能够使两个未知数逐渐趋于相等的方法。具体的，当对两个未知数x、y，有|x-y|≤Δ，且x、y的大小顺序始终已知时，则可根据X与Y的大小顺序，对其中一个数进行多次加减运算，使其数值不断趋近于另一个数。具体的，例如调整未知数x使其趋近于y，若初始时刻有x>y，则执行运算x＝x-Δ；反之，则执行运算x＝x+Δ。运算之后再次根据x与y的大小顺序，执行第二轮运算。在第二轮运算中，x根据同样的规律进行加减，所不同的是，第二轮的变化量二分为一，变为Δ/2；相应的，在第三、四、五轮中，变化量为Δ/4、Δ/8、Δ/16，依次类推……
以公式表示，如下：
第一轮：x1＝x+f(x,y)Δ
第二轮：
第三轮：
第四轮：
……
第n轮：
式中：
则不难得出：
且对于n轮运算后的结果，有：
成立，从而达到使x、y两个数趋于相等的目的。
在本发明中，通过对所述偏振纠缠GHZ态的测量和对比实现对第一同步方和发射方路径(L1)、第二同步方和发射方路径(L2)光程的大小排序，利用所述二分迭代法使L1光程不断趋近于L2，使同步双方对光子的测量趋近于相同时间，最终实现两个时钟的同步。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统，包括第一同步方、第二同步方和发射方。
所述第一同步方和第二同步方通过经典信道连接，发射方和第一同步方通过量子信道连接，发射方和第二同步方通过量子信道和经典信道连接；
其中：所述发射方用于产生实现三光子偏振纠缠GHZ态，并对其中一个光子偏振态进行测量。
所述第一同步方与第二同步方执行对另外两个光子偏振态的测量，且第二同步方与发射方对比测量结果以获取第一同步方、第二同步方之间的测量先后信息。
所述发射方包括GHZ态纠缠源、光延迟线(ODL)、盘纤、第三偏振片和第三探测器。
所述光延迟线与GHZ态纠缠源连接；所述GHZ态纠缠源通过盘纤与第三偏振片连接；所述第三偏振片与第三探测器连接。
优选的，所述第三偏振片为45度偏振片。
所述第一同步方包括第一偏振片、第一探测器、第一脉冲激光器(Laser1)、第一时钟和第一光环形器。
优选的，所述第一偏振片为水平偏振片。
所述第二同步方包括第二偏振片、第二探测器、第二脉冲激光器(Laser2)、第二时钟和第二光环形器。
优选的，所述第二偏振片为45度偏振片。
在所述发射方中，GHZ态纠缠源具备三个输出端，分别为第一输出端、第二输出端及第三输出端。
其中，第一输出端与光延迟线输入端相连，经过光延迟线、盘纤通过光纤与第一同步方相连；第二输出端直接通过光纤与第二同步方相连；第三输出端依次通过盘纤、第三偏振片，与第三探测器输入端相连。
在所述第一同步方与第二同步方中：第一光环形器与第二光环形器均具备三个端口，分别为第一端口、第二端口与第三端口；
其中，第一光环形器的第一端口与第二光环形器的第一端口相连；
第一光环形器的第二端口与第一脉冲激光器的输出端连接；第二光环形器的第二端口与第二脉冲激光器的输出端连接。
第一光环形器的第三端口与第一探测器输入端连接；第二光环形器的第三端口与第二探测器输入端连接。
所述第一时钟与第一脉冲激光器、第一探测器连接；所述第二时钟与第二脉冲激光器、第二探测器连接；
所述第一偏振片与第一探测器输入端相连；所述第二偏振片与第二探测器输入端相连。
所述GHZ态纠缠源制备出量子态为的三光子偏振纠缠GHZ态；所述光延迟线用于调节第一同步方与发射方之间的光学延迟，从而平衡第一同步方与发射方之间、第二同步方与发射方之间两臂；所述盘纤用于提供GHZ态纠缠源与第三探测器之间的光学延迟，同时提供第一同步方与发射方之间与第二同步方与发射方之间两臂的不对称容忍度；所述45度偏振片用于分辨光子X基偏振态；所述第三探测器提供对光子的探测响应。
所述第一同步方中的偏振片为水平方向，用于分辨光子Z基偏振态；所述第二同步方中的偏振片为45度方向，与发射方中的偏振片方向一致，用于分辨光子X基偏振态；所述第一探测器、第二探测器均用于提供对光子的探测响应；所述第一、第二脉冲激光器产生经典激光脉冲，用于实现第一同步方与第二同步方之间的初步时钟同步；所述第一时钟、第二时钟均为待同步时钟，同时记录第一探测器、第二探测器探测到光子的本地时间；所述第一和第二光环形器均用于提供非互易性光路，实现第一同步方与第二同步方双方的双向经典脉冲信号交换。
在所述基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统中，由GHZ态纠缠源的第一输出端发射的光信号，依次经光延时线(ODL)、盘纤、光纤、第一偏振片进入第一探测器；相应的，由GHZ态纠缠源的第二输出端发射的光信号，依次经光纤和第二偏振片进入第二探测器；由GHZ态纠缠源的第三输出端发射的光信号，依次经盘纤和第三偏振片进入第三探测器。由第一同步方中的第一脉冲激光器(Laser1)发射的光信号，经第一光环形器的第二端口输入，第一端口输出，再经光纤传输后由第二光环形器的第一端口输入，第二端口输出，进入第二探测器；相应的，由第二同步方中的第二脉冲激光器(Laser2)发射的光信号，经第二光环形器的第二端口输入，第一端口输出，再经光纤传输后由第一光环形器的第一端口输入，第三端口输出，进入第一探测器。位于第一同步方的第一时钟和位于第二同步方的第二时钟记录光信号的发射时间和到达时间。
基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步方法，包括以下步骤：
步骤一：交换信号；分别位于第一同步方与第二同步方中的第一脉冲激光器、第二脉冲激光器在其各自时钟的“0”时刻激发出经典脉冲信号，信号经各自的光环形器向对方传输。
步骤二：信号测量；在第一同步方与第二同步方中，分别接受来自对方光环形器发出的信号，且所接受的信号经过本地光环形器后，向本地探测器传输，第一同步方和第二同步方分别测量信号到达时间τa、τb，则不难得到：
τa＝Tlink+ΔTab——式(1)；
τb＝Tlink-ΔTab——式(2)；
其中，Tlink为光脉冲在第一探测器和第二探测器之间光路中传输的时间，ΔTab为第一时钟与第二时钟的钟差。
步骤三：结果分析；对步骤二中所述(1)、(2)式联立求和即可得Tlink；联立求差即可得ΔTab。由此即可获得第一时钟、第二时钟之间的粗略取值ΔTab。第一同步方、第二同步方双方根据此差值对时钟进行初步校准。考虑到经典时钟同步所能达到的精度，A、B双方时钟在校准后仍存在ΔT0范围内的钟差。(ΔT0一般为10ns量级)。
步骤四：发射光脉冲；发射方同时分别向第一同步方与第二同步方发射单光子脉冲，第一同步方与第二同步方分别记录下接收到光脉冲的时间ta、tb，并公布测量结果。
步骤五：初步调整光延迟；根据测量得到的ta和tb，发射方调整光延迟线，使再次测量的结果满足ta＝tb。
步骤六：发送纠缠态；发射方制备偏振纠缠GHZ态三光子，量子态为：同时发送给第一、第二和第三探测器。
步骤七：测量并判断；第一同步方、第二同步方与发射方对接收到的光子进行测量。其中第一同步方所选取的测量基为Z基，而第二同步方与发射方所选取的测量基为X基。经过数次测量，即可根据发射方与第二同步方的测量结果对比通过判断依据判断出第一同步方与第二同步方中，哪一方先测量到光子。
步骤八：调整光延迟；经过第一轮测量之后，如果确定是第一同步方先测量到光子，则由发射方将第一同步方与发射方之间的光学延迟增加ΔT0，而如果确定是第二同步方先测量到光子，则由发射方将第一同步方与发射方之间的光学延迟缩短ΔT0。
步骤九：多轮测量；第一同步方、第二同步方、发射方继续执行第六、七、八步骤，开始第二轮的测量和光延迟微调。其中不同的是，第二轮的光延迟微调量为ΔT0/2,为上一次的一半。随后继续进行第三轮、第四轮、第五轮测量……，微调量也相应为ΔT0/4、ΔT0/8、ΔT0/16……，依次类推。使用二分法对光延迟进行调整，使两臂不断趋于平衡，经过多次迭代后，光子抵达探测器的时间将具有高精度的同时性。
步骤十：记录时间，完成同步；各方根据实际的精度要求执行多轮测量，第一同步方、第二同步方分别记录下最后一次测量中光子到达时间Ta、Tb。此时ΔTab＝Ta-Tb与实际钟差的差别将足够小，可将ΔTab视为实际钟差，第一同步方、第二同步方根据此差值进行时钟校准，从而实现时钟的同步。
具体的，在步骤S1中，第一脉冲激光器、第二脉冲激光器在其各自时钟的“0”时刻激发出经典脉冲信号，信号经各自的环形器向对方传输；其中，各自时钟指的是第一同步方、第二同步方各自的时钟，即第一时钟、第二时钟；各自的光环形器指的是第一同步方、第二同步方各自的光环形器，即第一光环形器、第二光环形器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.光信号的传输为单向传输，对信号各个方向的传输速度没有要求，所受限制更少，缩短了传输路径，在传输过程中受到的光纤不稳定因素影响更小。
2.量子纠缠为一种非定域效应，具有“瞬时性”，可达到更高的精度上限。
3.同步双方可根据实际的精度要求执行不同次数的迭代，实现精度—效率最优化。
附图说明
图1为本发明的同步方A结构框图；
图2为本发明的同步方B结构框图；
图3为本发明的发射方C结构框图；
图4为本发明的整体工作原理框图；
图5为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图4所示，一种基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统，包括第一同步方和第二同步方和发射方。在本实施例中，对应附图，第一同步方为同步方A；第二同步方为同步方B；发射方为发射方C；
其中，所述同步方A和同步方B通过经典信道连接，发射方C和同步方A通过量子信道连接，发射方C和同步方B通过量子信道和经典信道连接；
更具体地，所述发射方C用于实现三光子偏振纠缠GHZ态的制备，并对其中一个光子偏振态进行测量。所述同步方A与B测量另外两个光子的偏振态，且同步方B与发射方C对比测量结果以获取A、B之间的测量先后信息。
具体的，如图3所示，所述发射方C包括GHZ态纠缠源、光延迟线(ODL)、盘纤、45度偏振片(第三偏振片)和探测器C(第三探测器)。
所述GHZ态纠缠源制备出量子态为的三光子偏振纠缠GHZ态；所述光延迟线用于调节L1的光学延迟，从而平衡L1与L2两臂；所述盘纤用于提供GHZ态纠缠源与探测器C之间足够的光学延迟，同时提供L1与L2两臂的不对称容忍度；所述45度偏振片用于分辨光子X基偏振态；所述探测器C提供对光子的探测响应。
如图1与图2所示，所述同步方A包括水平偏振片(第一偏振片)、探测器A(第一探测器)、Laser1(第一脉冲激光器)、时钟A(第一时钟)和光环形器A(第一光环形器)。
所述同步方B包括45度偏振片(第二偏振片)、探测器B(第二探测器)、Laser2(第二脉冲激光器)、时钟B(第二时钟)和光环形器B(第二光环形器)。
所述发射方C中：GHZ态纠缠源具备三个输出端。其中，输出端1(第一输出端)与光延迟线输入端相连，经过光延迟线与同步方A相连；输出端2(第二输出端)直接通过光纤与同步方B相连；输出端3(第三输出端)依次通过盘纤、45度偏振片(第三偏振片)，与探测器C(第三探测器)输入端相连。
所述同步方A与同步方B中：光环形器具备3个端口，其中光环形器A的端口1(第一端口)与光环形器B的端口1(第一端口)相连；光环形器A与B的端口2(即光环形器A的第二端口、光环形器B的第二端口)分别与所在同步方的激光器输出端相连；光环形器A与B的端口3(第三端口)分别与所在同步方的探测器输入端直接相连。所述时钟与激光器和探测器相连。所述偏振片与探测器输入端相连。
所述同步方A中的偏振片为水平方向，用于分辨光子Z基偏振态；所述同步方B中的偏振片为45度方向，与发射方C中的偏振片方向一致，用于分辨光子X基偏振态；所述探测器提供对光子的探测响应；所述脉冲激光器产生经典激光脉冲，用于实现同步方A与B之间的初步时钟同步；所述时钟为待同步时钟，同时记录探测器探测到光子的本地时间；所述光环形器用于提供非互易性光路，实现A、B双方的双向经典脉冲信号交换。
所述基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统中，由GHZ态纠缠源输出端1发射的光信号，依次经光延时线(ODL)、盘纤、光纤、水平偏振片进入探测器A；相应的，由GHZ态纠缠源输出端2发射的光信号，依次经光纤和45度偏振片进入探测器B；由GHZ态纠缠源输出端3发射的光信号，依次经盘纤和45度偏振片进入探测器C。由同步方A中激光器(Laser1)发射的光信号，经光环形器A的端口2输入，端口1输出，再经光纤传输后由光环形器B的端口1输入，端口3输出，进入探测器B；相应的，由同步方B中激光器(Laser2)发射的光信号，经光环形器B的端口2输入，端口1输出，再经光纤传输后由光环形器A的端口1输入，端口3输出，进入探测器A。位于同步方A的时钟A和位于同步方B的时钟B记录光信号的发射时间和到达时间。
如图5所示，基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步方法，包括以下步骤：
步骤一：交换经典信号；位于同步方A与同步方B中的脉冲激光器在其各自时钟的“0”时刻激发出经典脉冲信号，信号经各自的环形器向对方传输。
步骤二：经典信号测量；在同步方A与B中，来自对方的信号经过环形器后，向探测器传输，A、B双方的待同步时钟A、B分别记录信号到达时间则τa、τb。则容易得到：τa＝Tlink+ΔTab、τb＝Tlink-ΔTab。其中，Tlink为光脉冲在探测器A与探测器B之间光路中传输时间，ΔTab为A与B两个时钟间的钟差。
步骤三：经典测量结果分析；
τa＝Tlink+ΔTab (1)
τb＝Tlink-ΔTab (2)
对上述(1)、(2)式联立求和即可得Tlink；联立求差即可得ΔTab。由此即可获得A、B两个时钟之间的粗略取值ΔTab。A、B双方根据此差值对时钟进行初步校准。考虑到经典时钟同步所能达到的精度，A、B双方时钟在校准后仍存在ΔT0范围内的钟差。(ΔT0一般为10ns量级)。
至此，同步方A、B完成了初步的时间同步。为接下来展开的基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步方法打下前提基础。
基于经典时钟同步方法所形成的前提条件，接下来展开基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步方法：
步骤四：发射光脉冲；发射方C中的GHZ态纠缠源同时向同步方A、B及本地探测器C发射单光子脉冲，A与B中的待同步时钟分别记录下接收到光脉冲的时间ta、tb。
步骤五：初步调整光延时；发射方C通过光延迟线(ODL)调整L1的光学延迟，使再次测量的结果满足ta＝tb。
步骤六：发送纠缠态；发射方C中的GHZ态纠缠源制备偏振纠缠GHZ态三光子，量子态为：并通过量子信道同时发送给探测器A、B、C。
步骤七：测量并判断；同步方A、B与发射方C中的探测器对接收到的光子进行测量。探测器A前端放置水平偏振片，对应Z基偏振测量，探测器B、C前端均放置45度偏振片，对应X基偏振测量。经过数次测量，即可根据发射方C与同步方B的测量结果对比通过判断依据判断出同步方A与B哪一方先测量到光子。
步骤八：调整光延迟；经过第一轮测量比对之后，如果确定是同步方A先测量到光子，则由发射方C通过光延迟线ODL将L1的光学延迟增加ΔT0，而如果确定是同步方B先测量到光子，则通过光延迟线ODL将L1的光学延迟缩短ΔT0。
步骤九：多轮测量；A、B、C三方继续执行第六、七、八步骤，开始第二轮的测量和光延迟微调。所不同的是，第二轮的光延迟微调量为ΔT0/2,为上一次的一半。随后继续进行第三轮、第四轮、第五轮测量……，微调量也相应为ΔT0/4、ΔT0/8、ΔT0/16……，依次类推。使用二分法对光延迟进行调整，使两臂不断趋于平衡，经过多次迭代后，光子抵达探测器的时间将具有高精度的同时性。
步骤十：记录时间，完成同步；各方根据实际的精度要求执行多轮测量，由同步方A、B中的待同步时钟分别记录下最后一次测量中光子到达时间Ta、Tb。此时ΔTab＝Ta-Tb与实际钟差的差别将足够小，可将ΔTab视为实际钟差，同步方A、B根据此差值进行时钟校准，从而实现时钟的同步。
具体的，所述步骤七中判断依据为：
发射方C制备出的偏振纠缠GHZ态为：这种纠缠态有如下特性：
1.对其中一个光子测量偏振态，则其余两个光子的偏振态也会瞬间坍缩到被测量光子的状态；
2.余下的两个已坍缩的光子将不再具备纠缠特性，对其中一个光子的偏振态进行测量，另一个光子的偏振态将不受影响。
3.GHZ态纠缠效应为一种非定域效应，具有“瞬时性”，为该系统实现高精度时钟同步提供保障。
根据GHZ纠缠态的上述特性，在保证纠缠源和探测器C之间的光延迟大于L1和L2光延迟的前提下，探测器A和探测器B的测量结果将存在如下两种情况：
情况一：同步方A先测量到光子，则三个光子的偏振态都将被投影到Z基上，随后同步方B与发射方C的测量将再次将剩余的两个光子偏振态投影到X基上，而此时这两个光子已不再具有纠缠性，则同步方B与发射方C将有1/2的概率获得不同的测量结果。
情况二：同步方B先测量到光子，则三个光子的偏振态都将被投影到X基上，因为同步方B与发射方C具有相同的测量基，所以B、C将始终具有相同的测量结果。
在实际测量中，一旦同步方B、C测量到不同的结果，即可判定为情况一。但不可避免存在多次测量仍获得相同测量结果从而无法判断具体情况的情形。但随着测量次数的增加，情况一的概率也随着指数衰减。在连续获得m次相同测量结果的前提下，情况一的概率为P(m)＝2-m。对此，约定：若连续获得十次相同测量结果，即判定为第二种情况。此时，误判率E(m)＝P(m)＝2-m＝2-10，约为千分之一，控制在了比较低的水平。
具体的，所述步骤十中，需同步双方A、B均参与对信号到达时间的测量。考虑到实际部署中，A、B双方测量基的选取是通过偏振片实现的。即在每次测量中，探测器A、B有1/2的概率无法同时响应，从而导致无法获取最终的时间。但如上所述，每一轮测量均可能包含多次测量，执行多次测量则不难使探测器A、B同时响应，进而获取测量时间Ta、Tb。
由所述二分迭代法可以对同步结果进行精度评估，假设最终进行了n轮测量，在最后一轮测量中所获得的钟差为ΔTab，实际钟差设为ΔT。不难得到：
可见，同步精度随测量轮数呈指数上升，可以根据上式对时钟同步的精度进行评估，也同样可根据上式由指定的精度要求确定需要进行测量的轮数。
1.在本发明中，光信号的传输为单向传输，对信号各个方向的传输速度没有要求，所受限制更少，缩短了传输路径，因而在传输过程中受到的光纤不稳定因素影响更小。
2.本发明中所利用GHZ态纠缠效应为一种非定域效应，具有“瞬时性”，可达到更高的精度上限。
3.在本发明中，同步双方可根据实际的精度要求执行不同次数的迭代，实现精度—效率最优化。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步系统，其特征在于：包括第一同步方、第二同步方和发射方；
所述第一同步方和第二同步方通过经典信道连接，发射方和第一同步方通过量子信道连接，发射方和第二同步方通过量子信道和经典信道连接；
其中，所述发射方用于产生三光子偏振纠缠GHZ态，并对其中一个光子偏振态进行测量；
所述第一同步方与第二同步方执行对另外两个光子偏振态的测量，且所述第二同步方与发射方对比测量结果以获取第一同步方、第二同步方之间的测量先后信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述发射方包括GHZ态纠缠源、光延迟线、盘纤、第三偏振片和第三探测器；
所述光延迟线与GHZ态纠缠源连接；所述GHZ态纠缠源通过盘纤与第三偏振片连接；所述第三偏振片与第三探测器连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：GHZ态纠缠源具备三个输出端，分别为第一输出端、第二输出端及第三输出端；
其中，第一输出端与光延迟线输入端相连，经过光延迟线、盘纤通过光纤与第一同步方相连；第二输出端直接通过光纤与第二同步方相连；第三输出端依次通过盘纤、第三偏振片，与第三探测器输入端相连。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述GHZ态纠缠源制备出量子态为的三光子偏振纠缠GHZ态；
所述光延迟线用于调节第一同步方与发射方之间的光学延迟；
所述盘纤用于提供GHZ态纠缠源与第三探测器之间的光学延迟，并提供第一同步方与发射方之间、第二同步方与发射方之间的不对称容忍度；
所述第三偏振片为45度偏振片，该45度偏振片用于分辨光子X基偏振态；
所述第三探测器提供对光子的探测响应。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第一同步方包括第一偏振片、第一探测器、第一脉冲激光器、第一时钟和第一光环形器；
所述第二同步方包括第二偏振片、第二探测器、第二脉冲激光器、第二时钟和第二光环形器；
所述第一时钟与第一脉冲激光器、第一探测器连接；所述第二时钟与第二脉冲激光器、第二探测器连接；
所述第一偏振片与第一探测器输入端相连；所述第二偏振片与第二探测器输入端相连。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：在所述第一同步方与第二同步方中，第一光环形器与第二光环形器均具备三个端口，分别为第一端口、第二端口与第三端口。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述第一光环形器的第一端口与第二光环形器的第一端口相连；
第一光环形器的第二端口与第一脉冲激光器的输出端连接；
第二光环形器的第二端口与第二脉冲激光器的输出端连接；
第一光环形器的第三端口与第一探测器输入端连接；
第二光环形器的第三端口与第二探测器输入端连接。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述第一偏振片为水平偏振片，用于分辨光子Z基偏振态；
所述第二偏振片为45度偏振片，用于分辨光子X基偏振态。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述第一探测器、第二探测器均用于提供对光子的探测响应；
所述第一、第二脉冲激光器产生经典激光脉冲，用于实现第一同步方与第二同步方之间的初步时钟同步；
所述第一时钟、第二时钟均为待同步时钟，同时记录第一探测器、第二探测器探测到光子的本地时间；
所述第一和第二光环形器均用于提供非互易性光路。
10.一种基于偏振纠缠GHZ态的二分迭代时钟同步方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：交换信号，分别位于第一同步方与第二同步方中的第一脉冲激光器、第二脉冲激光器在其各自时钟的“0”时刻激发出经典脉冲信号，信号经各自的光环形器向对方传输；
步骤二：信号测量，所述第一同步方与第二同步方接受来自对方光环形器发出的信号，然后经过本地光环形器，向本地探测器传输，第一同步方和第二同步方分别测量信号到达时间τa、τb，得到：
τa＝Tlink+ΔTab——式(1)；
τb＝Tlink-ΔTab——式(2)；
其中，Tlink为光脉冲在第一同步方和第二同步方之间光纤传输时间，ΔTab为第一时钟与第二时钟的钟差；
步骤三：结果分析，对步骤二中所述(1)、(2)式联立求和即可得Tlink；联立求差即可得ΔTab；
由此即可获得第一时钟、第二时钟之间的粗略取值ΔTab，第一同步方、第二同步方双方根据此差值对时钟进行初步校准；
步骤四：发射光脉冲；发射方同时分别向第一同步方与第二同步方发射单光子脉冲，第一同步方与第二同步方分别记录下接收到光脉冲的时间ta、tb，并公布测量结果；
步骤五：初步调整光延迟；根据测量得到的ta和tb，发射方调整光延迟线，使再次测量的结果满足ta＝tb；
步骤六：发送纠缠态；发射方制备偏振纠缠GHZ态三光子，量子态为：同时发送给第一、第二和第三探测器；
步骤七：测量并判断；第一同步方、第二同步方与发射方对接收到的光子进行测量；
其中，第一同步方所选取的测量基为Z基，而第二同步方与发射方所选取的测量基为X基；经过数次测量，即可根据发射方与第二同步方的测量结果对比通过判断依据判断出第一同步方与第二同步方中，哪一方先测量到光子；
步骤八：调整光延迟；经过第一轮测量之后，若确定是第一同步方先测量到光子，则由发射方将第一同步方与发射方之间的光学延迟增加ΔT0；若确定是第二同步方先测量到光子，则由发射方将第一同步方与发射方之间的光学延迟缩短ΔT0；
步骤九：多轮测量；第一同步方、第二同步方、发射方继续执行第六、七、八步骤，开始第二轮的测量和光延迟微调；
其中，第二轮的光延迟微调量为ΔT0/2；
随后继续进行第三轮、第四轮、第五轮测量……，微调量也相应为ΔT0/4、ΔT0/8、ΔT0/16……，依次类推；
使用二分法对光延迟进行调整，使两臂不断趋于平衡，经过多次迭代后，光子抵达探测器的时间将具有高精度的同时性；
步骤十：记录时间，完成同步；各方根据实际的精度要求执行多轮测量，第一同步方、第二同步方分别记录下最后一次测量中光子到达时间Ta、Tb；
此时ΔTab＝Ta-Tb与实际钟差的差别将足够小，可将ΔTab视为实际钟差，第一同步方、第二同步方根据此差值进行时钟校准，从而实现时钟的同步。
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