CN112904351B - 一种基于量子纠缠光关联特性的单源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于量子纠缠光关联特性的单源定位方法，实现高精度定位。首先，利用激光器产生泵浦光，照射周期极化磷酸氧钛钾晶体，通过自发参量下转换过程产生具有纠缠特性的参考光子和信号光子；然后，利用单光子探测器探测留在本地的参考光子，信号光子发送至待定位目标，用另一单光子探测器探测被待定位目标反射回的光子；其次，对利用采集电路记录两光子的时间标签序列进行符合计数，得到二阶关联特性曲线，其峰值对应的延迟即为两光子的传输时间差，进而计算出本地接入点到待定位目标的距离；最后，利用转台得到本地接入点与待定位目标之间的夹角，并结合待定位目标的距离信息实现目标定位。

Description

一种基于量子纠缠光关联特性的单源定位方法

技术领域

本发明属于量子技术领域，具体是利用量子纠缠光的关联特性进行定位，定位精度可以超越经典测量极限且具有很好的安全性。

背景技术

测距技术作为实现未知目标物定位与导航的基础技术，与人们生活、国防建设、航空航天探测等各个方面息息相关。在民众的日常生活中，无论是出行交通、手机定位，还是国家军事防御中的导弹制导、战舰巡察，乃至近地空间各类应用卫星、航天器的正常运行，都与测距技术密切相关。

在传统测距技术中，通过向目标物发射测距信号，信号经过目标物反射回发送端，计算回波信号与发射信号的时间差，即可得到目标物与发送端的距离。传统测距技术包括电磁波测距、超声波测距、光波测距等。但电磁波测距性能易受经典噪声极限及其带宽和功率的限制，测距精度一般不高于米级且存在信号易被截获和欺骗、保密性差等问题；超声波测距范围通常在5米至10米之间，测距精度受环境和发射功率的影响较大且存在探测盲区；光波测距精度与光脉冲的频率和宽度等参数有关，一般为厘米级，但其不适合长距离测距且易被攻击者欺骗。传统测距技术中的测距精度受限于标准量子极限或散粒噪声极限，不能很好地满足人们对高精度定位服务的需求。因此，定位技术的进一步发展必须有新的思路和方法，于是基于量子力学理论和量子信息论的量子定位技术便成为了未来导航定位技术的新兴方向。

量子定位技术通过发射和接收纠缠光子对，利用纠缠光子的二阶关联特性，对一定时间内采集到的两路纠缠光子进行符合计数，并结合爱因斯坦时间同步方法和量子纠缠源的强关联性，提取到达时间差，使得绝对时间差精度达皮秒级，定位精度达厘米级。目前，相关研究指出利用量子技术中的量子纠缠和量子不可克隆原理，可以打破现有测量体系的精度极限，极大提升定位精度、图像分辨率、抗干扰和抗欺骗性能、探测距离及灵敏度，从而更好地适应人们的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于量子纠缠光关联特性的单源定位方法。相比于传统的定位方法，本发明利用量子纠缠特性及纠缠光子的二阶关联特性，对一定时间内采集到的两路纠缠光子进行符合计数，可达到皮秒级的时间同步误差精度，进而提高定位精度。

本发明采用的技术方案为：利用一台量子纠缠源收发探测装置，并将其放置在转台上进行转动，对待定位目标进行定位。具体步骤如下：

步骤一：利用波长为405nm的半导体激光器产生高质量的泵浦光；

步骤二：利用焦距分别为300mm和75mm的透镜组成望远镜系统，对激光器产生的泵浦光进行光场压缩，并利用允许通过波长为810nm的高通滤镜滤除泵浦光中包含的杂散光，得到纯净的泵浦光；

步骤三：将泵浦光入射周期极化磷酸氧钛钾(Periodically Poled KTP，PPKTP)晶体，光束中的光子以一定概率发生参量下转换过程，得到纠缠双光子对；

步骤四：经过反射波长为405nm的高通全反镜，反射未转换的泵浦光，并用允许通过波长为810nm的偏振分束器将纠缠光子对分开；

步骤五：利用允许通过波长为810nm的干涉滤波片滤除环境中的干扰光，并利用光纤耦合器对纠缠光子进行收集；

步骤六：利用偏振分束器将纠缠光子对分成参考光子和信号光子，并将信号光子通过空间信道发射至待定位目标，参考光子留存本地；

步骤七：用单光子探测器1探测被待定位目标返回的信号光子，并用单光子探测器2探测留在本地的参考光子；

步骤八：对单光子探测器1和2探测得到的两路光子进行符合测量，找到符合计数最大值，并根据光子的飞行时间，获取待定位目标与量子纠缠源收发探测装置(即本地接入点)之间的距离；

步骤九：利用转台获得待定位目标与本地接入点之间的夹角，并结合待定位目标的距离信息实现目标定位。

所述步骤八中包括以下步骤：

步骤八(一)：在采集时间T内，对具有一定延时时间的两路电平脉冲信号进行数据采集，得到两路时间序列，并根据不同的标志位标定出参考光路CH1和信号光路CH2；

步骤八(二)：将信号光路CH2作为基础序列，对另一路数据CH1的每个时间序列点加上一个给定的延时值τ；

步骤八(三)：在给定的符合门宽δ内，对CH1和CH2这两路序列进行一次符合计数，并记录本次延时τ产生的符合计数值n(τ)；

步骤八(四)：根据设置的延时增加步长s得到新的延时时间τ′，其中，τ′＝τ+s。返回步骤八(二)，得到本次符合计数值n(τ′)；

步骤八(五)：当达到给定的最大循环次数n_max时，符合计数结束；

步骤八(六)：将所有循环次数内得到的符合计数值转换为归一化的二阶关联函数值，得到关于不同延时τ和其对应的归一化二阶关联函数值g⁽²⁾(τ)的离散点(τ,g⁽²⁾(τ))；

步骤八(七)：利用最小二乘算法，对离散点(τ,g⁽²⁾(τ))进行曲线拟合，此时，曲线峰值对应的横坐标延时值Δτ为两路纠缠光子之间的到达时间差。本地接入点到待定位目标的距离L可表示为：

其中，c为光速；

所述步骤九中包括以下步骤：

步骤九(一)：将量子纠缠源收发探测装置放置在转台上，并将转台的0°方向定义为转台的基准方向。在转台转动过程中不断发射信号光子对目标进行探测，当符合计数值达到最大值时，记录此时的信号光子发射方向与基准方向之间的角度，并将其作为待定位目标与本地接入点之间的夹角θ；

步骤九(二)：设待定位目标和本地接入点的位置坐标分别为(x,y)和(x₀,y₀)，建立如下定位方程组：

对上述方程组进行求解，可得待定位目标的估计位置：

附图说明

图1为本发明量子纠缠光源制备实施方案示意图；

图2为本发明的量子测距原理示意图；

图3为本发明的符合计数原理图；

图4为本发明的符合计数流程图；

图5为本发明的一次符合计数流程图；

图6为本发明的目标测角示意图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

具体步骤如下：

步骤一：利用波长为405nm的半导体激光器产生高质量的泵浦光；

步骤二：利用焦距分别为300mm和75mm的透镜组成望远镜系统，对激光器产生的泵浦光进行光场压缩，并利用允许通过波长为810nm的高通滤镜滤除泵浦光中包含的杂散光，得到纯净的泵浦光；

步骤三：将泵浦光入射周期极化磷酸氧钛钾(Periodically Poled KTP，PPKTP)晶体，光束中的光子以一定概率发生参量下转换过程，得到纠缠双光子对；

步骤四：经过反射波长为405nm的高通全反镜，反射未转换的泵浦光，并用允许通过波长为为810nm的偏振分束器将纠缠光子对分开；

步骤五：利用允许通过波长为810nm的干涉滤波片滤除环境中的干扰光，并利用光纤耦合器对纠缠光子进行收集；

步骤六：利用偏振分束器将纠缠光子对分成参考光子和信号光子，并将信号光子通过空间信道发射至待定位目标，参考光子留存本地，其中，信号光子和参考光子具有相同光强I，且满足：

其中，符号“∝”表示正比于，d为晶体长度，c为光速，Δk为相位失配量，满足：

其中，k_p表示泵浦光波矢，k_i表示参考光波矢，k_s表示信号光波矢，Λ为极化周期，2π/Λ为光栅波矢；

步骤七：用单光子探测器1探测被待定位目标返回的信号光子，并用单光子探测器2探测留在本地的参考光子；

步骤八：对单光子探测器1和2探测得到的两路光子进行符合测量，找到符合计数最大值。将采集时间T设为10ms，对具有一定延时时间的两路电平脉冲信号进行数据采集，得到两路时间序列，并根据不同的标志位标定出参考光路CH1和信号光路CH2，将信号光路CH2作为基础序列，对另一路数据CH1的每个时间序列点加上一个给定的延时值τ。

步骤九：在时延τ条件下对CH1和CH2两路序列进行一次符合计数，符合门宽参数δ设为0.2ns，当符合门宽δ远小于待测光场的相干时间τ_c，即满足δ＜＜τ_c时，单次符合计数值n(τ)和理想的二阶关联函数g²(τ)满足如下关系：

其中，R₁和R₂分别为单光子探测器1和2的光子计数率；γ₁和γ₂分别为单光子探测器1和2的暗计数率和环境噪声引起的计数率之和。由上式可得g⁽²⁾(τ)的表达式为：

当R_i＞＞γ_i(i＝1,2)时，归一化二阶关联函数与符合计数值之间的关系式，可简化得到：

利用

将所有循环次数内得到的符合计数n(τ)值转换为归一化二阶关联函数g⁽²⁾(τ)值。

步骤十：利用最小二乘拟合算法，对离散点(τ,g⁽²⁾(τ))进行曲线拟合，此时，曲线峰值对应的横坐标延时值Δτ为两路纠缠光子之间的到达时间差。本地接入点到目标的距离L可表示为：

步骤十一：利用转台获得待定位目标与本地接入点之间的夹角，并结合待定位目标的距离信息实现目标定位。

所述步骤十一中包括以下步骤：

步骤十一(一)：将量子纠缠源收发探测装置放置在转台上，并将转台的0°方向定义为转台的基准方向。在转台转动过程中不断发射信号光子对目标进行探测，当符合计数值达到最大值时，记录此时的信号光子发射方向与基准方向之间的角度，并将其作为待定位目标与本地接入点之间的夹角θ；

步骤十一(二)：设待定位目标和本地接入点的位置坐标分别为(x,y)和(x₀,y₀)，建立如下定位方程组：

对上述方程组进行求解，可得待定位目标的估计位置：

Claims (1)

1.一种基于量子纠缠光关联特性的单源定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：利用波长为405nm的半导体激光器产生高质量的泵浦光；

步骤二：利用焦距分别为300mm和75mm的透镜组成望远镜系统，对激光器产生的泵浦光进行光场压缩，并利用允许通过波长为810nm的高通滤镜滤除泵浦光中包含的杂散光，得到纯净的泵浦光；

步骤三：将泵浦光入射周期极化磷酸氧钛钾(Periodically Poled KTP，PPKTP)晶体，光束中的光子以一定概率发生参量下转换过程，得到纠缠双光子对；

步骤四：经过反射波长为405nm的高通全反镜，反射未转换的泵浦光，并用允许通过波长为810nm的偏振分束器将纠缠光子对分开；

步骤五：利用允许通过波长为810nm的干涉滤波片滤除环境中的干扰光，并利用光纤耦合器对纠缠光子进行收集；

步骤六：利用偏振分束器将纠缠光子对分成参考光子和信号光子，并将信号光子通过空间信道发射至待定位目标，参考光子留存本地；

步骤七：用单光子探测器1探测被待定位目标返回的信号光子，并用单光子探测器2探测留在本地的参考光子；

步骤八：对单光子探测器1和2探测得到的两路光子进行符合测量，找到符合计数最大值，并根据光子的飞行时间，获取待定位目标与量子纠缠源收发探测装置之间的距离；

步骤九：利用转台获得待定位目标与本地接入点之间的夹角，并结合待定位目标的距离信息即可实现目标定位；

所述步骤八中包括以下步骤：

步骤八(一)：在采集时间T内，对具有一定延时时间的两路电平脉冲信号进行数据采集，得到两路时间序列，并根据不同的标志位标定出参考光路CH1和信号光路CH2；

步骤八(二)：将信号光路CH2作为基础序列，对另一路数据CH1的每个时间序列点加上一个给定的延时值τ；

步骤八(三)：在给定的符合门宽δ内，对CH1和CH2这两路序列进行一次符合计数，并记录本次延时τ产生的符合计数值n(τ)；

步骤八(四)：根据设置的延时增加步长s得到新的延时时间τ′，其中，τ′＝τ+s，返回步骤八(二)，得到本次符合计数值n(τ′)；

步骤八(五)：当达到给定的最大循环次数n_max时，符合计数结束；

步骤八(六)：将所有循环次数内得到的符合计数值转换为归一化的二阶关联函数值，得到关于不同延时τ和其对应的归一化二阶关联函数值g⁽²⁾(τ)的离散点(τ,g⁽²⁾(τ))；

步骤八(七)：利用最小二乘算法，对离散点(τ,g⁽²⁾(τ))进行曲线拟合，此时，曲线峰值对应的横坐标延时值Δτ为两路纠缠光子之间的到达时间差，此时，本地接入点到待定位目标的距离L可表示为：

其中，c为光速；

所述步骤九中包括以下步骤：

步骤九(一)：将量子纠缠源收发探测装置放置在转台上，并将转台的0°方向定义为转台的基准方向，在转台转动过程中不断发射信号光子对目标进行探测，当符合计数值达到最大值时，记录此时的信号光子发射方向与基准方向之间的角度，并将其作为待定位目标与本地接入点之间的夹角θ；

步骤九(二)：设待定位目标和本地接入点的位置坐标分别为(x,y)和(x₀,y₀)，建立如下定位方程组：

对上述方程组进行求解，可得待定位目标的估计位置：