CN113346971A - 一种基于量子纠缠的时钟同步方法 - Google Patents

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CN113346971A CN202110583203.8A CN202110583203A CN113346971A CN 113346971 A CN113346971 A CN 113346971A CN 202110583203 A CN202110583203 A CN 202110583203A CN 113346971 A CN113346971 A CN 113346971A
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Abstract

本发明提供了一种基于量子纠缠的时钟同步方法，包括：采用时间锁相环RTC使得节点A和节点B处于频率同步状态；节点A在自己的时钟标准下于
Figure DDA0003086911530000011
时刻制备n‑qubit的GHZ量子纠缠态，并将所述量子纠缠态发送给节点B；节点B在当前自己的时钟标准下于
Figure DDA0003086911530000012
时刻接受到所述量子纠缠态，获取当前自己的时钟标准的密度矩阵，并进一步判定接收到所述量子纠缠态的第一个量子比特处于标准态下的概率P±；根据概率P±计算节点A与节点B之间的时钟差Δ；节点B根据时钟差Δ校准自己的时钟标准，实现与节点A的时间对齐，完成时间同步；本发明避免了传统方法双向延时不对称导致的同步误差。

Description

一种基于量子纠缠的时钟同步方法
技术领域
本发明涉及时钟同步领域，尤其涉及一种基于量子纠缠的时钟同步方法。
背景技术
目前行业内一般的时间同步实现思路是：拥有标准时间信息的一方将自己时钟的时刻发送给待同步的节点，待同步的节点根据收到的时间信息计算自身时钟和标准时间之间的时间差Δ，并对自己的时钟进行校准。但是信息的传递需要传输时间，校准时间时需要考虑传输时延。大部分经典时间同步协议利用双向传输或者环回传输的方式获得环回时延RTD，并且假设双向时延是对称的，得到D＝RTD/2。但是在现网应用中很难保证双向的传输时延严格相等。如果双向时延相差δ，则会引起时延差计算偏差±δ/2。并且目前常用的NTP、PTP等基于MAC或者IP报文的协议框架很难与未来的量子信息网络相融合，其时间戳位置位于数据链路层甚至更高的协议层，其同步精度也收到报文缓存、协议处理等因素的影响。另外基于经典物理方案的时间同步协议的精度受限于标准量子极限(SQL)，即同步精度正比于1/n N，其中n为每次执行协议包含的光子数，N为测量次数，精度难以进一步提升。
发明内容
有鉴于此，针对以上技术问题，本发明提供了一种基于量子纠缠的时钟同步方法。该方法是一种单向的时间同步协议，通过量子比特的单向传输配合经典信道发布时间，实现高精度的时钟同步。
本发明提供的一种基于量子纠缠的时钟同步方法，具体包括以下：
S101：采用时间锁相环RTC使得节点A和节点B处于频率同步状态；
S102：节点A在自己的时钟标准下于
Figure BDA0003086911510000021
时刻制备n-qubit的GHZ量子纠缠态，并将所述量子纠缠态发送给节点B；
S103：节点B在当前自己的时钟标准下于
Figure BDA0003086911510000022
时刻接受到所述量子纠缠态，获取当前自己的时钟标准的密度矩阵，并进一步判定接收到所述量子纠缠态的第一个量子比特处于标准态下的概率P±；
S104：根据概率P±计算节点A与节点B之间的时钟差Δ；
S105：节点B根据时钟差Δ校准自己的时钟标准，实现与节点A的时间对齐，完成时间同步。
进一步地，所述节点A为拥有时间标准信息的一方，所述节点B为待时钟同步的一方。
进一步地，步骤S102中，所述量子纠缠态具体如式(1)所示：
Figure BDA0003086911510000023
其中Ψ表示量子纠缠态，|000...0|和|111...1|均为量子比特流；
量子纠缠态对应的密度矩阵如式(2)：
Figure BDA0003086911510000024
进一步地，步骤S103中节点B接受到所述量子纠缠态后，其对应的密度矩阵如式(3)：
Figure BDA0003086911510000025
其中D为量子纠缠态传输过程中的自由演化时间；ω为量子纠缠态自由演化过程中两个量子态能级间的跃迁频率；n表示量子态能级的总数。
进一步地，步骤S103中，获取密度矩阵后，节点B进一步用测量基对量子纠缠态的第一个量子比特进行测量，得到量子比特处于标准态下的概率P±，如式(4)：
Figure BDA0003086911510000031
进一步地，步骤S103中采用N次测量统计标准态下的概率P±，并取其平均值作为最终值。
步骤S104中，根据概率P±计算节点A与节点B之间的时钟差Δ，具体为根据式(4)反解得到时间差Δ。
本发明提供的有益效果是：避免了传统方法双向延时不对称导致的同步误差。
附图说明
图1是本发明一种基于量子纠缠的时钟同步方法的流程图；
图2是本发明理论结果与模拟结果试验曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，一种基于量子纠缠的时钟同步方法，包括以下：
S101：采用时间锁相环RTC使得节点A和节点B处于频率同步状态；所述节点A为拥有时间标准信息的一方，所述节点B为待时钟同步的一方。
在本发明中，RTC是集成电路，通常称为时钟芯片，其核心是晶振。时间锁相环是指锁相环从一个频率跳变到另一个指定频率所用的锁定时间；本发明中时间锁相环由RTC驱动；RTC的具体类型及其实现方式，并非本发明的重点内容，这里不作交代；
本发明中，节点A具有时间标准信息，所述时间标准信息，具体指，节点A的时间是准确的，可靠的；节点B为待时钟同步点，即节点B的时钟标准需要与向A靠拢，并同步。步骤S101的主要作用即为实现节点A与节点B的频率同步；
S102：节点A在自己的时钟标准下于
Figure BDA0003086911510000041
时刻制备n-qubit的GHZ量子纠缠态，并将所述量子纠缠态发送给节点B；
步骤S102中，所述量子纠缠态具体如式(1)所示：
Figure BDA0003086911510000042
其中Ψ表示量子纠缠态，|000...0|和|111...1|均为量子比特流；
量子纠缠态对应的密度矩阵如式(2)：
Figure BDA0003086911510000043
在步骤S102中，节点A将量子纠缠态发送给节点B后，还通过普通信道发送时间同步信息；所述普通信道，即为经典的通信信道，采用经典协议，如双向传输或者环回传输；所述时间同步信息中包括了节点A自身的时钟级别，其中时钟级别用于节点B进行选源；所述选源即节点B根据节点A当前的时钟级别，优先选择通信良好的源通道。
步骤S102中，
Figure BDA0003086911510000044
时刻的时间戳记录，是光子的发送时间，其位于物理层，不受上层协议和相关设备缓存的影响；
S103：节点B在当前自己的时钟标准下于
Figure BDA0003086911510000045
时刻接受到所述量子纠缠态，获取当前自己的时钟标准的密度矩阵，并进一步判定接收到所述量子纠缠态的第一个量子比特处于标准态下的概率P±；
单个量子比特随时间演化遵循薛定谔方程；在步骤S103中，节点B首先接手到的密度矩阵可以表示为：
Figure BDA0003086911510000051
在节点B收到的量子纠缠态和合法有效的时间同步信息后，节点B即会在自身的时钟标准下，记录下此时的时刻
Figure BDA0003086911510000052
并用测量基对第一个量子比特进行测量，将密度矩阵转换到测量基准下，通过式(3)来表示：
Figure BDA0003086911510000053
其中D为量子纠缠态传输过程中的自由演化时间；ω为量子纠缠态自由演化过程中两个量子态能级间的跃迁频率；n表示量子态能级的总数。
以上过程中，节点B判断时间同步信息的合法有效，不在本发明的讨论范畴内，其规定可以自行进行相应设置。但本发明举例说明如下：
时间同步信息是通过普通信道(或经典信道)进行传输的，只要该信息符合经典信道的协议相关规定，即可以判断时间同步信息的有效；
通过式(3)，节点B即可进一步得到第一个量子比特处于标准态下的概率P±，如式(4)：
Figure BDA0003086911510000054
采用N次测量统计标准态下的概率P±，并取其平均值作为最终值。
本发明中，为了得到相对准确的概率，采用多次测量，并且每次测量独立进行统计，服从二项分布；由于有限次统计的波动，会使得概率的估计值具有一定的不确定性；通过标准误差表示为下式：
Figure BDA0003086911510000061
其中，P即为P±，N为统计次数；
S104：根据概率P±计算节点A与节点B之间的时钟差Δ；
根据概率P±计算节点A与节点B之间的时钟差Δ，具体为根据式(4)反解得到时间差Δ。
根据上面的标准误差，可以得到时钟差的估计值不确定度正比为：
Figure BDA0003086911510000062
S105：节点B根据时钟差Δ校准自己的时钟标准，实现与节点A的时间对齐，完成时间同步。
本发明采用一种量子云平台进行仿真验证；其中量子云平台为QuantumExperience。
在本仿真试验验证中，首先在节点A端利用H门和多个CNOT门产生量子纠缠态；并使量子纠缠态自由演化D时间，模拟量子比特在量子信道中的传输，到达节点B。
在节点B端，对量子纠缠态的第一个量子比特再次施加一个H门，并测量H门的输出结果，以此来模拟步骤S103具体节点B采用测量基进行测量这个过程。
在本仿真试验中，采取完全理想条件进行，不考虑其它损耗因素，仅考虑量子比特的相位演化。
在一些其它实施例中，可以适当添加其它因素的影响，如加入真空起伏噪声，拉曼散射等非线性效应，这些影响可能会影响本发明的传输过程，但在解决方案上，实质可以针对该影响做进一步的常规处理，以消除这些因素的干扰。这里不再进行过多的相关说明。
为了减少量子测量结果的不确定性，在仿真试验中N选取了10000次；请参考图2，图2是本发明理论结果与模拟结果试验曲线；图2中，横坐标表示传输时延，单位为ns；纵坐标表示测量量子态的概率；为了便于展示，图2中展示了N取不同值时的最终效果；其中平滑曲线表示的是理论效果，而平滑曲线上对应的形状线表示的是模拟效果；圆圈形状表示N取2000时的效果，三角形形状表示N取6000的效果；方形形状表示N取10000次数时的效果，从图2中可以看出最终试验模拟的结果与理想结果基本保持一致；测量量子态的概率随传输时延呈现出余弦形式震荡，且量子纠缠态中的纠缠量子越多，震荡越大。
另外，通过仿真试验进一步发现，在仿真试验实际部署时，当测量次数N固定的情况下，增加纠缠量子的数量，可以降低测量误差，其效果可以从图2中进一步进行预见，这里不再赘述。
总体来说，本发明采用的时间同步协议相比普通传输方法，其精度有所提升。
本发明的有益效果是：避免了传统方法双向延时不对称导致的同步误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于量子纠缠的时钟同步方法，其特征在于：
包括以下步骤：
S101：采用时间锁相环RTC使得节点A和节点B处于频率同步状态；
S102：节点A在自己的时钟标准下于
Figure FDA0003086911500000011
时刻制备n-qubit的GHZ量子纠缠态，并将所述量子纠缠态发送给节点B；
S103：节点B在当前自己的时钟标准下于
Figure FDA0003086911500000012
时刻接受到所述量子纠缠态，获取当前自己的时钟标准的密度矩阵，并进一步判定接收到所述量子纠缠态的第一个量子比特处于标准态下的概率P±；
S104：根据概率P±计算节点A与节点B之间的时钟差Δ；
S105：节点B根据时钟差Δ校准自己的时钟标准，实现与节点A的时间对齐，完成时间同步。
2.如权利要求1所述的一种基于量子纠缠的时钟同步方法，其特征在于：所述节点A为拥有时间标准信息的一方，所述节点B为待时钟同步的一方。
3.如权利要求1所述的一种基于量子纠缠的时钟同步方法，其特征在于：
步骤S102中，所述量子纠缠态具体如式(1)所示：
Figure FDA0003086911500000013
其中Ψ表示量子纠缠态，|000 ... 0|和|111 ... 1|均为量子比特流；
量子纠缠态对应的密度矩阵如式(2)：
Figure FDA0003086911500000014
。
4.如权利要求1所述的一种基于量子纠缠的时钟同步方法，其特征在于：
步骤S103中节点B接受到所述量子纠缠态后，其对应的密度矩阵如式(3)：
Figure FDA0003086911500000021
其中D为量子纠缠态传输过程中的自由演化时间；ω为量子纠缠态自由演化过程中两个量子态能级间的跃迁频率；n表示量子态能级的总数。
5.如权利要求4所述的一种基于量子纠缠的时钟同步方法，其特征在于：步骤S103中，获取密度矩阵后，节点B进一步用测量基对量子纠缠态的第一个量子比特进行测量，得到量子比特处于标准态下的概率P±，如式(4)：
Figure FDA0003086911500000022
。
6.如权利要求5所述的一种基于量子纠缠的时钟同步方法，其特征在于：步骤S103中采用N次测量统计标准态下的概率P±，并取其平均值作为最终值。
7.如权利要求5所述的一种基于量子纠缠的时钟同步方法，其特征在于：步骤S104中，根据概率P±计算节点A与节点B之间的时钟差Δ，具体为根据式(4)反解得到时间差Δ。
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