CN113472453B - 基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，量子传感器的传感端布设于不同点位，通过量子通信将携带传感信息的量子态远端传输至量子数据中心，量子数据中心配备大规模单光子探测器阵列，通过时分复用系统对各量子传感器传递的量子态进行时分复用以提升探测效率。脱离了探测环节的量子传感器体积小、功耗低、且本地不具备数据解析能力，能够显著提升分布式量子传感网络的覆盖范围、组网规模、运管效率和安全水平。同时，本发明提出的时分复用集中探测策略，也规避了单光子探测器大规模部署的成本和能耗风险，为量子互联网构建和量子信息技术一体融合提供了重要解决方案。

Description

基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法

技术领域

本发明属于量子探测、量子通信与量子网络的交叉学科领域，具体是指一种利用长距离量子态传输和时分复用单光子探测阵列将分布式布设的量子传感器感知的量子信号集中到量子数据中心进行探测的分布式量子传感网络的组建方法，尤其涉及一种基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法、系统及存储介质。

背景技术

量子是能量的最小不可分离单元，满足海森堡测不准原理和量子不可克隆原理，既无法在测量之前准确获得一个未知量子的全部状态信息，也无法全维度准确复制一个已经被测量的量子的全部状态信息。以量子作为信息传输载体的量子通信技术能够对抗分离窃听、预测伪造等信道攻击手段，是一种具有数学可证明安全性的新型通信手段。此外，量子通信还是一种可将量子态长距离传输的通信手段，在量子时间同步网络、分布式量子精密测量系统和分布式量子计算系统等新型应用中具有重要的支撑作用。

近年来，能够通过经典指标瓶颈、接近海森堡极限的量子精密测量技术飞速发展，并在磁场、电场、重力场、温度等物理量的超灵敏超高精度传感方面具有重要应用。当前量子传感只能支持单一点位、单一物理量的测量，如果能有网络化量子态传输手段并构建量子传感网络，将会实现感知范围和协同能力的指数级提升。需要注意的是，当前量子传感系统往往采用的是“收探一体”的策略，鉴于量子态探测器如单光子探测器面临体积大功耗高等问题，上述策略严重限制了量子传感网络的端设备体积、组网规模和运行效率。

发明内容

基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题：如何构建端设备小型化、探测云处理化的分布式量子传感网络。

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，将量子传感器的传感端布设于多个点位使得各种环境物理量能够被编译为量子态，将此量子态保真无损地回传汇集到量子数据中心，通过时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用使得大规模单光子探测器阵列能够无串扰地探测所有量子态并将其解析为具体点位的量子传感信息，构建端设备小型化、探测云处理化的分布式量子传感网络。

为了达到上述效果，本发明提供的基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，布设多个量子传感器的传感端作为点位，将相关物理量转换为量子态，将所述量子态保真无损地回传汇集到量子数据中心；对不同传感器上传的量子态进行时分复用，为每个量子传感器对应的量子态确定一个时间窗口；探测所有量子传感器回传的量子态信息，将其解析为物理量状态并与布设点位进行对应，形成分布式量子传感网络功能闭环。

优选的，上述物理量包括但不限于磁场、电场、温度。

优选的，上述方法具体包括：

S101、将量子传感器的传感端布设于多个点位，将磁场、电场、温度或其他物理量转换为量子态，通过量子通信系统将此量子态保真无损地回传汇集到量子数据中心；

S102、通过时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，为每个量子传感器对应的量子态确定一个时间窗口；

S103、通过大规模单光子探测器阵列探测所有量子传感器回传的量子态信息，将其解析为物理量状态并与布设点位进行对应，形成分布式量子传感网络功能闭环。

优选的，上述量子传感器传感端包括单光子光源、量子态编译系统和光学信道。

优选的，上述方法确保量子数据中心和各量子传感器传感端之间高精度时间同步。

优选的，上述量子传感信息的量子态通过量子通信系统保真无损地回传汇集到量子数据中心，量子传感器的传感端和量子数据中心之间共享可靠稳定的量子信道。

优选的，通过上述时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，确保量子数据中心和各量子传感器传感端之间高精度时间同步，根据各量子信道的光学延迟确定各路量子态信号的到达时间，通过时间透镜或可调谐光学延迟线阵列将各路量子态信号分发到互不串扰、按序排列的一系列时间窗内，实现多路量子态信号的时分复用。

优选的，通过上述量子传感器传感端量子态编译系统相共轭地解码系统对时分复用量子态信号进行初步处理，通过大规模单光子探测器阵列探测时分复用量子态信号，最终利用时间分析仪解析出各时间窗内对应的物理量信息，还原出各点位量子传感物理量的实时分布情况。

一种实现上述基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法的系统，包括量子传感器、量子干涉仪、量子通信系统、时分复用系统、大规模单光子探测器阵列、时间透镜或可调谐光学延迟线阵列、时间分析仪以及量子数据中心，将量子传感器的传感端布设于多个点位，将磁场、电场、温度以及其他物理量通过量子干涉仪转换为单光子等量子携带的量子态；包含量子传感信息的量子态通过量子通信系统保真无损地回传汇集到量子数据中心，量子传感器的传感端和量子数据中心之间共享可靠稳定的量子信道；

通过所述时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，根据各量子信道的光学延迟确定各路量子态信号的到达时间，通过时间透镜或可调谐光学延迟线阵列将各路量子态信号分发到互不串扰、按序排列的一系列时间窗内，实现多路量子态信号的时分复用；

通过量子传感器传感端量子态编译系统相共轭地解码系统对时分复用量子态信号进行初步处理，通过大规模单光子探测器阵列探测时分复用量子态信号，最终利用时间分析仪解析出各时间窗内对应的物理量信息，还原出各点位量子传感物理量的实时分布情况。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明提出的时分复用集中探测策略，也规避了单光子探测器大规模部署的成本和能耗风险，为量子互联网构建和量子信息技术一体融合提供了重要解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法示意图；

图2示出了本发明时分复用集中探测的分布式量子传感网络结构图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供了一种基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法的实施例，布设多个量子传感器的传感端作为点位，将相关物理量转换为量子态，将所述量子态保真无损地回传汇集到量子数据中心；对不同传感器上传的量子态进行时分复用，为每个量子传感器对应的量子态确定一个时间窗口；探测所有量子传感器回传的量子态信息，将其解析为物理量状态并与布设点位进行对应，形成分布式量子传感网络功能闭环。

在一些实施例中，物理量包括但不限于磁场、电场、温度。

如图1所示，本发明提供一种基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法的实施例，包括：

S101、将量子传感器的传感端布设于多个点位，将磁场、电场、温度或其他物理量转换为量子态，通过量子通信系统将此量子态保真无损地回传汇集到量子数据中心；

S102、通过时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，为每个量子传感器对应的量子态确定一个时间窗口；

S103、通过大规模单光子探测器阵列探测所有量子传感器回传的量子态信息，将其解析为物理量状态并与布设点位进行对应，形成分布式量子传感网络功能闭环。

在一些实施例中，量子传感器传感端包括单光子光源、量子态编译系统和光学信道。

在一些实施例中，确保量子数据中心和各量子传感器传感端之间高精度时间同步。

在一些实施例中，量子传感信息的量子态通过量子通信系统保真无损地回传汇集到量子数据中心，量子传感器的传感端和量子数据中心之间共享可靠稳定的量子信道。

在一些实施例中，通过时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，确保量子数据中心和各量子传感器传感端之间高精度时间同步，根据各量子信道的光学延迟确定各路量子态信号的到达时间，通过时间透镜或可调谐光学延迟线阵列将各路量子态信号分发到互不串扰、按序排列的一系列时间窗内，实现多路量子态信号的时分复用。

在一些实施例中，通过量子传感器传感端量子态编译系统相共轭地解码系统对时分复用量子态信号进行初步处理，通过大规模单光子探测器阵列探测时分复用量子态信号，最终利用时间分析仪解析出各时间窗内对应的物理量信息，还原出各点位量子传感物理量的实时分布情况。

本发明提供一种实现基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法的系统实施例，包括量子传感器、量子干涉仪、量子通信系统、时分复用系统、大规模单光子探测器阵列、时间透镜或可调谐光学延迟线阵列、时间分析仪以及量子数据中心，将量子传感器的传感端布设于多个点位，将磁场、电场、温度以及其他物理量通过量子干涉仪转换为单光子等量子携带的量子态；包含量子传感信息的量子态通过量子通信系统保真无损地回传汇集到量子数据中心，量子传感器的传感端和量子数据中心之间共享可靠稳定的量子信道；

通过所述时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，根据各量子信道的光学延迟确定各路量子态信号的到达时间，通过时间透镜或可调谐光学延迟线阵列将各路量子态信号分发到互不串扰、按序排列的一系列时间窗内，实现多路量子态信号的时分复用；

通过量子传感器传感端量子态编译系统相共轭地解码系统对时分复用量子态信号进行初步处理，通过大规模单光子探测器阵列探测时分复用量子态信号，最终利用时间分析仪解析出各时间窗内对应的物理量信息，还原出各点位量子传感物理量的实时分布情况。

如图2所示，本发明展示了一种时分复用集中探测的分布式量子传感网络的结构实施例，

(1)量子传感器的传感端由单光子光源、量子干涉仪和传输光纤组成，单光子光源产生单光子序列，经过量子干涉仪干涉后通过传输光纤传输到量子数据中心，量子干涉仪的光程差随温度、压力、电磁场等环境因素变化，此时传输汇集到量子数据中心的量子态携带了量子传感器感受到的环境信息。

(2)量子传感器的传感端被布设到了不同点位，通过不同的传输光纤(也可以是自由空间信道)回传汇集到量子数据中心，通过时分复用系统按序排列并进入单光子探测器阵列，单光子探测器前端布设有编解码系统，即能将编译在不同光学自由度上的量子态信息转换为单光子探测器阵列的响应信息。

(3)通过时间分析仪分析单光子探测器阵列的响应信息，可还原出量子传感器感受到的环境信息，根据其所在时序位置能够判断具体的布设点位，将时间分析结果加以重构即可获得分布式量子传感网络的实时态势图。

本发明提供了一种基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法的实施例，包括：

S201、将量子传感器的传感端布设于多个点位，将磁场、电场、温度等物理量通过量子干涉仪等设备转换为单光子等量子携带的量子态，量子传感器传感端通常单光子光源、量子态编译系统和光学信道；包含量子传感信息的量子态通过量子通信系统保真无损地回传汇集到量子数据中心，量子传感器的传感端和量子数据中心之间共享可靠稳定的量子信道；

S202、通过时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，具体地，需要确保量子数据中心和各量子传感器传感端之间高精度时间同步，根据各量子信道的光学延迟确定各路量子态信号的到达时间，通过时间透镜或可调谐光学延迟线阵列将各路量子态信号分发到互不串扰、按序排列的一系列时间窗内，实现多路量子态信号的时分复用；

S203、通过量子传感器传感端量子态编译系统相共轭地解码系统对时分复用量子态信号进行初步处理，通过大规模单光子探测器阵列探测时分复用量子态信号，最终利用时间分析仪解析出各时间窗内对应的物理量信息，还原出各点位量子传感物理量的实时分布情况。

本发明提供了一种基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法的实施例，将量子传感器的传感端布设于多个点位使得各种环境物理量能够被编译为量子态，将此量子态保真无损地回传汇集到量子数据中心，通过时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用使得大规模单光子探测器阵列能够无串扰地探测所有量子态并将其解析为具体点位的量子传感信息，构建端设备小型化、探测云处理化的分布式量子传感网络。

在一些实施例中，量子传感器主要基于量子精密测量原理，能够将待测量物理量转换为量子态并通过单光子探测器等设备探测解析，量子传感器能够和量子通信系统互联，即量子传感器中的量子态信息能够通过量子通信系统传递到另一侧，且具有比经典传感器更高的精度和灵敏度；量子传感器的待检测物理量包括但不限于电场强度、磁场强度、重力场强度、角加速度，量子载体包括但不限于光子、冷原子、离子和里德堡原子等，不限制量子传感器具体功能。

在一些实施例中，时分复用的多路量子态信号输入后，将根据各自的到达时间予以排序，通过时间透镜或可调谐延迟线精确控制各路量子态信号使其合并为同一路信号并处于互相独立、按序排列的时间窗内。不限定时分复用系统的具体实现方式和性能参数，不限定重复频率、时间窗宽度等具体指标。

在一些实施例中，量子数据中心具备稳定运行能力，能够在不计设备尺寸、功耗体积等因素的情况下实现量子态信号的高度探测，具备多路量子信道、量子态解码系统、时钟同步系统和时间分析仪等基本硬件条件，能够将时分复用量子态信号解译还原为量子传感器对应的原始物理量，并通过时序位置还原为空间分布情况。

在一些实施例中，量子传感网络的网络用户为量子传感器，网络传递的信息主要是量子态，量子传感网络中任一点位的量子传感器能够通过单光子探测获取其它点位量子传感器的数据信息，量子传感信息传递过程兼容于所有量子通信系统具备的安全属性。不限定量子传感网络具体用途、点位布设和网络拓扑。

本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机程序的实施例，该程序被处理器执行时实现上述方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明将量子通信网络和以量子干涉仪为代表的量子传感器进行融合，提供了一种分布式量子传感网络的实现方法，能够推动分布式量子信息系统长远发展，实现量子传感系统从单一点位到全网协同的升级。

其次，本发明提出的时分复用集中探测思想，能够兼容量子通信网络高安全量子态信息传输能力，大幅提升分布式传感系统的安全性和可靠性。

最后，本发明提出的时分复用集中探测思想，能够较好地降低量子传感器端设备的尺寸、功耗和成本，借鉴云计算思想实现大规模量子数据中心的超强探测设备支持能力，为分布式量子传感网络组网规模和运行效率同步提升提供了强有力的手段。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，布设多个量子传感器的传感端作为点位，将相关物理量转换为量子态，将所述量子态保真无损地回传汇集到量子数据中心；通过时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，需要确保量子数据中心和各量子传感器传感端之间高精度时间同步，根据各量子信道的光学延迟确定各路量子态信号的到达时间，通过时间透镜或可调谐光学延迟线阵列将各路量子态信号分发到互不串扰、按序排列的一系列时间窗内，实现多路量子态信号的时分复用；通过量子传感器传感端量子态编译系统相共轭地解码系统对时分复用量子态信号进行初步处理，通过大规模单光子探测器阵列探测时分复用量子态信号，最终利用时间分析仪解析出各时间窗内对应的物理量信息，还原出各点位量子传感物理量的实时分布情况，形成分布式量子传感网络功能闭环。

2.根据权利要求1所述的基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，其特征在于，所述物理量包括但不限于磁场、电场、温度。

3.根据权利要求1或2所述的基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，其特征在于，所述方法具体包括：

S101、将量子传感器的传感端布设于多个点位，将磁场、电场、温度或其他物理量转换为量子态，通过量子通信系统将此量子态保真无损地回传汇集到量子数据中心；

S102、通过时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，为每个量子传感器对应的量子态确定一个时间窗口；

S103、通过大规模单光子探测器阵列探测所有量子传感器回传的量子态信息，将其解析为物理量状态并与布设点位进行对应，形成分布式量子传感网络功能闭环。

4.根据权利要求2所述的基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，其特征在于，所述量子传感器传感端包括单光子光源、量子态编译系统和光学信道。

5.根据权利要求2所述的基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，其特征在于，所述方法确保量子数据中心和各量子传感器传感端之间高精度时间同步。

6.根据权利要求1所述的基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法，其特征在于，量子传感信息的量子态通过量子通信系统保真无损地回传汇集到量子数据中心，量子传感器的传感端和量子数据中心之间共享可靠稳定的量子信道。

7.一种实现如权利要求1-6任一项所述基于时分复用集中探测的分布式量子传感组网方法的系统，包括量子传感器、量子干涉仪、量子通信系统、时分复用系统、大规模单光子探测器阵列、时间透镜或可调谐光学延迟线阵列、时间分析仪以及量子数据中心，将量子传感器的传感端布设于多个点位，将磁场、电场、温度以及其他物理量通过量子干涉仪转换为单光子等量子携带的量子态；包含量子传感信息的量子态通过量子通信系统保真无损地回传汇集到量子数据中心，量子传感器的传感端和量子数据中心之间共享可靠稳定的量子信道；

通过所述时分复用系统对不同传感器上传的量子态进行时分复用，根据各量子信道的光学延迟确定各路量子态信号的到达时间，通过时间透镜或可调谐光学延迟线阵列将各路量子态信号分发到互不串扰、按序排列的一系列时间窗内，实现多路量子态信号的时分复用；

通过量子传感器传感端量子态编译系统相共轭地解码系统对时分复用量子态信号进行初步处理，通过大规模单光子探测器阵列探测时分复用量子态信号，最终利用时间分析仪解析出各时间窗内对应的物理量信息，还原出各点位量子传感物理量的实时分布情况。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法。

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