CN111698038B - 一种可级联的量子时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可级联的量子时间同步方法，在需要时间同步的两站点之前设置若干级联站点，构成级联系统，每相邻两站点之间的距离不超过量子时间同步的作用距离；在每个站点上设置量子光源和量子测量装置，获得相邻站点之间的光子到达时间；基于双向时间同步的原理和频率纠缠双光子间的互关联算法，利用各站点记录的光子到达时间序列计算得到位于级联系统两端的时间频率源之间的钟差；最后利用测得的钟差调整待同步端的输出时间，实现待同步端与源端的时间同步。本发明在充分利用量子时间同步的高准确度高稳定度优势的基础上，大幅扩展了量子时间同步的应用距离，使得高精度量子时间同步技术进一步满足远距离、高精度的时间同步及传递需求。

Description

一种可级联的量子时间同步方法
技术领域
本发明属于时间频率技术领域，涉及一种时间同步方法。
背景技术
当前基础科研、重大工程、国防建设和空间技术的发展，对时间同步的精度提出了越来越高的要求。量子时间同步是最有潜力大幅提升授时精度的新一代时间同步技术。利用具有频率纠缠特性的量子光脉冲及量子符合探测技术，量子时间同步将使现有时间同步精度突破经典散粒噪声极限，精度可提高2-3量级。通过方案和技术的不断提升和成熟，高精度的量子时间同步技术终将在包括导航和定位在内的各领域获得广泛应用。
作为量子时间同步的主要物理资源，双光子频率纠缠光源通过非线性过程产生。由于非线性过程的效率通常都很低，难以产生高亮度的纠缠光源。受到传输链路的损耗影响，用于时间延迟测量的双光子源不可避免地急剧衰减。同时由于量子光源的不可克隆性，经过衰减的频率纠缠光源无法通过经典光放大的方式进行增强。因此，如何将量子时间同步技术应用于提高现有长距离时间同步系统的精度，是亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可级联的量子时间同步方法，以双向量子时间比对方案为基础，通过在级联站点增加量子光源和量子测量装置，能够实现从一级级联扩展至多级级联的双向量子时间比对和同步系统，并保持基于量子技术提高时间同步精度的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：在需要时间同步的两站点之前设置若干级联站点，构成级联系统，每相邻两站点之间的距离不超过量子时间同步的作用距离；在每个站点上设置量子光源和量子测量装置，获得相邻站点之间的光子到达时间；基于双向时间同步的原理和频率纠缠双光子间的互关联算法，利用各站点记录的光子到达时间序列计算得到位于级联系统两端的时间频率源之间的钟差；最后利用测得的钟差调整待同步端的输出时间，实现待同步端与源端的时间同步。
所述的每个站点，分别配备有一个频率纠缠的双光子源、两个单光子探测器、一个包含两通道的事件计时器及一个本地时间频率源，事件计时器的系统时钟被严格同步到本地时间频率源。
所述的级联站点中，频率纠缠的双光子实现空间分离之后，分别发送到级联站点的前端和后端站点，两个单光子探测器分别接收由级联站点的前端和后端站点发送过来的单光子，两探测器的输出都由同步到本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间。
所述的需要时间同步的两个站点中，频率纠缠的双光子实现空间分离之后，其中一个保留在本地，被单光子探测器接收后，其输出由同步到本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间；另一个光子被传输到与之相邻的级联站点并被级联站点的单光子探测器接收后，由同步到该站点本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间。
本发明的有益效果是：通过将级联思想引入到双向量子时间同步技术，在充分利用量子时间同步的高准确度高稳定度优势的基础上，大幅扩展了量子时间同步的应用距离，使得高精度量子时间同步技术进一步满足远距离、高精度的时间同步及传递需求。
附图说明
图1是实施例的总体结构示意图；
图2是一级级联实施例的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括以下步骤：
1)在每个级联站点，分别配备有一个频率纠缠的双光子源、两个单光子探测器、一个包含两通道的事件计时器及一个本地时间频率源(如原子钟或精密晶振)。事件计时器的系统时钟被严格同步到本地时间频率源。
2)频率纠缠的双光子可认为是携带时间信号的载体，实现空间分离之后，分别分发到级联站点的前端和后端。两个单光子探测器分别接收由级联站点的前端和后端发送过来的单光子，两探测器的输出都由同步到本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间。
3)待比对和同步的两个站点位于整个级联系统的两端。在这两个终端，也分别配有一个频率纠缠的双光子源、两个单光子探测器、一个包含两通道的事件计时器及一个本地时间频率源(如原子钟或精密晶振)。事件计时器的系统时钟被严格同步到本地时间频率源。
4)频率纠缠的双光子实现空间分离之后，其中一个保留在本地，被单光子探测器接收后，其输出由同步到本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间。另一个光子被传输到与之相邻的级联站点并被级联站点的单光子探测器接收后，由同步到该站点本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间。
5)将各站点记录的光子到达时间序列通过经典通信通道，发送到待同步钟所在地的运算处理单元。基于双向时间同步的原理和频率纠缠双光子间的互关联算法，可以计算得到位于系统两端的时间频率源之间的钟差。
6)将上述步骤测得的钟差t0，送入可调延迟器，用于调整待同步端的输出时间，调整量为t0；至此待同步端的时间信号与源端时间频率源的时间信号就实现了同步。
图1是实施例的总体结构示意图，1是基准钟站点的量子光源，2是分光系统，3是基准钟，4是单光子信号探测系统，5是级联站点1，6是级联站点2，7是级联站点N，8是分光系统，9是待同步钟站点的量子光源，10是单光子信号探测系统，11是待同步钟，12是数据处理终端，13是钟差反馈及调节。
由图1可知，通过在基准钟所在地和待同步钟所在地之间加入多级级联，可以扩展量子时间同步的传输距离，并且保持时间同步的高精度优点。
图2是实施例基于一级级联的量子时间同步系统内部结构示意图，其中1是基准钟站点的量子光源，2是基准钟站点的光纤环形器，3是基准钟站点的单光子探测器，4是基准钟站点的单光子探测器，5是基准钟，6是基准钟站点的单光子事件计时器，7是级联站点的光纤环形器，8是级联站点的量子光源，9是级联站点的光纤环形器，10是级联站点的单光子探测器，11是级联站点的单光子探测器，12是级联站点的单光子事件计时器，13是级联站点的时间频率源，14是待同步站点的光纤环形器，15是待同步站点的量子光源，16是待同步站点的单光子探测器，17是待同步站点的单光子探测器，18是待同步站点的单光子事件计时器，19是待同步钟，20是数据处理终端，21是可编程延迟器，22是基准钟站点到级联站点的量子光源传输链路，23是级联站点到待同步站点的量子光源传输链路，24和25是经典数据传输链路。
由图2可知，系统中基准钟站点A、待同步站点B，以及级联站点R都包含一个具有频率纠缠特性的双光子源(量子光源)、两个单光子探测器、一个包含两通道的单光子事件计时器及一个本地时间频率源(如原子钟或精密晶振)。待同步站点还包含一个用于实现互相关运算的数据处理终端和一个可编程延迟器。三个站点之间以
Figure BDA0002509998070000041
的形式串联连接，并且连接链路包含量子光源传输链路和经典数据传输链路。量子光源传输链路用来分发和传递频率纠缠双光子，经典数据传输链路用于将各个站点的单光子事件计时器记录到的光子到达时间序列传输到待同步站点B的数据处理终端。两个通道均以光纤连接。
每个时间频率源输出的参考频率信号为10MHz，参考时间信号为1PPS信号。
本实施例具体实施步骤如下：
1)在级联站点R，量子光源8产生的频率纠缠双光子被空间分离之后，一路光子(信号光子SR)通过光纤环形器7分发到基准钟站点A；另一路光子(闲置光子IB)通过光纤环形器9分发到待同步钟站点B。
2)同时，从A站点发送过来的单光子(信号光子SA)通过光纤环形器2和环形器7送到单光子探测器10，从B站点发送过来的单光子(信号光子SB)通过光纤环形器14和环形器9送到单光子探测器11。
3)探测器10和11的输出都由同步到时间频率源13的单光子事件计时器12记录其光子到达时间，记为tR，1、tR，2。
4)在基准钟站点A，量子光源1产生的频率纠缠双光子被空间分离后，一路光子(信号光子SA)通过光纤环形器2分发到级联站点R；另一路光子(闲置光子IA)保留在本地。
5)在基准钟站点A，保留在本地的闲置光子IA送到单光子探测器3；同时，从级联站点R发送过来的信号光子SR通过光纤环形器7和光纤环形器2送到站点A的单光子探测器4。
6)单光子探测器3和单光子探测器4的输出都由同步到基准钟5的事件计时器6记录光子到达时间，记为tA，1、tA，2。
7)在B站点，量子光源15产生的频率纠缠双光子被空间分离后，一路光子(信号光子SB)通过光纤环形器14分发到级联站点R；另一路光子(闲置光子IB)保留在本地。
8)保留在本地的闲置光子IB送到单光子探测器17；同时，从级联站点R发送过来的闲置光子IR通过光纤环形器9和光纤环形器14送到单光子探测器16。
9)单光子探测器16和单光子探测器17的输出都由同步到待同步钟19的事件计时器18记录光子到达时间，记为tB，1、tB，2。
10)所有测量到的光子到达时间序列通过经典数据传输链路24和25传到数据处理终端20。根据各站点频率纠缠源所具有的时间关联特性，进行互相关运算。
假设从站点A到R的量子光源传输链路长度为lA，R，从B到R的光传输链路长度为lB，R。各站点产生的频率纠缠源均为频率简并的双光子源，即信号光子和闲置光子有着相同的中心频率和频率分布特性；同时，各站点产生的频率纠缠源具有相同的性质。因此，可以假定所有光子在链路上具有相同的传输群速度vg。根据互相关运算，得到两两相邻的站点间时间差测量结果可以如下表示为：
tR，1-tA，2＝tR，0-tA，0+lA，R/vg， (1)
tR，2-tB，2＝tR，0-tB，0+lB，R/vg， (2)
tA，1-tB，1＝tA，0-tB，0+lA，R/vg-lB，R/vg， (3)
其中，tA，0，tB，0，tR，0分别代表各站点的时间频率源(基准钟1、待同步钟2和时间频率源13)的本征时间。从公式(1)和(2)可以看到，站点A和B与级联站点R之间的时间比对类似于共视时间比对。级联站点R的时间频率源R作为一个公共参考源，通过在A和B两个站点同步观测这一相同的时间频率源，测定这两个站点与级联站点之间的时间差，可表示为：
(tR，1-tA，2)-(tR，2-tB，2)＝-(tA，0-tB，0)+lA，R/vg-lB，R/vg， (4)
从公式(4)和(3)可以看到，时间比对问题又化简为双向时间比对。联立求解公式(4)和(3)，就可以解算站点A和B之间的钟差如下所示：
Figure BDA0002509998070000051
11)将上述步骤测得的钟差t0，送入可编程延迟器21，用于调整待同步钟B的输出时间，调整量为t0；至此待同步钟19与基准钟5的时间信号就实现了同步。
上述实施例，仅给出了一级级联量子时间同步系统工作原理为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。因此，上述实施例可以很容易地直接扩展到多级级联系统。针对多级级联量子时间同步系统，只需对每一个级联站点采取与本实施例当中所述级联站点R相同的操作，并进行相应的互相关运算，即可实现。
凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可级联的量子时间同步方法，其特征在于包括以下步骤：在需要时间同步的两站点之间设置若干级联站点，构成级联系统，每相邻两站点之间的距离不超过量子时间同步的作用距离；在每个站点上设置量子光源和量子测量装置，获得相邻站点之间的光子到达时间；基于双向时间同步的原理和频率纠缠双光子间的互关联算法，利用各站点记录的光子到达时间序列计算得到位于级联系统两端的时间频率源之间的钟差；最后利用测得的钟差调整待同步端的输出时间，实现待同步端与源端的时间同步；
所述的每个站点，分别配备有一个频率纠缠的双光子源、两个单光子探测器、一个包含两通道的事件计时器及一个本地时间频率源，事件计时器的系统时钟被严格同步到本地时间频率源；
所述的级联站点中，频率纠缠的双光子实现空间分离之后，分别发送到级联站点的前端和后端站点，两个单光子探测器分别接收由级联站点的前端和后端站点发送过来的单光子，两探测器的输出都由同步到本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间。
2.根据权利要求1所述的可级联的量子时间同步方法，所述的需要时间同步的两个站点中，频率纠缠的双光子实现空间分离之后，其中一个保留在本地，被单光子探测器接收后，其输出由同步到本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间；另一个光子被传输到与之相邻的级联站点并被级联站点的单光子探测器接收后，由同步到该站点本地时间频率源的事件计时器来记录光子的到达时间。
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