CN117155503B - 一种可扩展的级联量子时间同步系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可扩展的级联量子时间同步系统,多个站点均配备独立可扩展的级联量子时间同步装置且顺次串联建立相邻站点双向级联关系;各站点中时间能量纠缠的双光子源输出闲置光子和信号光子入对应分光器;一分光器将闲置光子送入两光耦合器;另一分光器将信号光子送入两环形器;一光耦合器接收前一站点的纠缠光子和已收闲置光子耦合入对应单光子探测器;另一光耦合器接收后一站点的纠缠光子和已收闲置光子耦合入对应单光子探测器;两单光子探测器将光子传输到事件计时器以记录到达时间信息得到事件计时器数据;数据处理中心将参考站点和本地站点的事件计时器数据计算得到钟差信息;脉冲延时模块根据钟差信息实现参考站点和本地站点时钟同步。
Description
技术领域
本发明属于时间频率技术领域,具体涉及一种可扩展的级联量子时间同步系统。
背景技术
时间同步技术作为时间频率基准应用的基础,决定了时间频率信号在国家科技、经济、军事和社会生活等方面应用的精度。采用具有时间-能量纠缠特性的双光子源及量子符合测量技术的双向量子时间同步技术已在中短距离光纤中演示了优于百飞秒的同步精度,展示了量子时间同步的高精度潜力。然而,量子时间同步系统中采用的纠缠光源不可避免地受到传输损耗衰减,由于受纠缠光源固有的不可克隆性限制,点对点量子时间同步系统的应用距离受限。现有的级联量子时间同步方案可实现远距离的量子时间同步系统,但级联节点仅可提供互联功能,无法实现级联节点与基准站点的同步功能。面向将来的量子时间同步网络化、多用户需求,现有的级联方案应用范围显著受限。为提高长距离量子时间同步系统中级联节点的功能,需要提供更完备、灵活的级联量子时间同步方案。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种可扩展的级联量子时间同步系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
一种可扩展的级联量子时间同步系统,所述系统是为多个站点均配备预设的独立可扩展的级联量子时间同步装置后,将各站点顺次串联并建立相邻站点双向级联关系构成的,其中,
所述独立可扩展的级联量子时间同步装置包括:脉冲延时模块1、本地时间频率源2、包含两通道的事件计时器3、数据处理中心4、单光子探测器5和6、光耦合器7和8、环形器9和11、分光器10和13、时间能量纠缠的双光子源12;
每个站点中,本地时间频率源2输出的时间信号为1PPS信号,事件计时器3的系统时钟被严格同步到本地时间频率源2;
时间能量纠缠的双光子源12用于输出闲置光子和信号光子分别送入分光器10和13;
分光器10用于将接收到的闲置光子分别送入光耦合器7和8;分光器13用于将接收到的信号光子分别送入环形器9和11,作为传输到前后两个相邻站点的纠缠光子;
光耦合器7用于利用环形器9接收存在的前一相邻站点的纠缠光子,将其和已收到的闲置光子耦合入单光子探测器5;光耦合器8用于利用环形器11接收存在的后一相邻站点的纠缠光子,将其和已收到的闲置光子耦合入单光子探测器6;
单光子探测器5和6用于将探测到的光子传输到事件计时器3;事件计时器3用于记录光子的到达时间信息,得到事件计时器数据;
数据处理中心4用于获取所述系统中任一站点的事件计时器数据,将参考站点和本地站点以及两者间各个站点的事件计时器数据进行计算,得到所述参考站点与本地站点的1PPS时间信号之间的钟差信息;
脉冲延时模块1用于根据本地站点得到的钟差信息,实现本地站点与所述参考站点间的时钟同步。
在本发明的一个实施例中,所述本地时间频率源2,包括原子钟或精密晶振。
在本发明的一个实施例中,所述系统中的连接链路包含时间能量纠缠的双光子源的传输链路和经典数据传输链路;其中,所述时间能量纠缠的双光子源的传输链路用于分发和传递时间能量纠缠双光子;所述经典数据传输链路用于在所述系统中任意一组事件计时器3和数据处理中心4之间传递事件计时器数据。
在本发明的一个实施例中,数据处理中心4将参考站点和本地站点以及两者间各个站点的事件计时器数据进行计算,得到所述参考站点与本地站点的1PPS时间信号之间的钟差信息,包括:
数据处理中心4将参考站点和本地站点以及两者间各个站点的事件计时器数据,基于非定域的二阶关联算法及双向时间同步协议进行计算,得到所述参考站点与本地站点的1PPS时间信号之间的钟差信息。
在本发明的一个实施例中,脉冲延时模块1根据本地站点得到的钟差信息,实现本地站点与所述参考站点间的时钟同步,包括:
脉冲延时模块1根据本地站点得到的钟差信息,通过调整本地时间频率源2输出的1PPS信号的脉冲时延,实现本地站点与所述参考站点间的时钟同步。
在本发明的一个实施例中,首站点内的所述独立可扩展的级联量子时间同步装置中的环形器9为与前级站点级联的扩展端口;尾站点内的所述独立可扩展的级联量子时间同步装置中的环形器11为与后级站点级联的扩展端口。
在本发明的一个实施例中,所述系统的首站点中,光耦合器7仅接收分光器10发送的闲置光子并将其耦合入单光子探测器5;所述系统的尾站点中,光耦合器8仅接收分光器10发送的闲置光子并将其耦合入单光子探测器6。
本发明的有益效果:
本发明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高精度优势的基础上,大幅扩展了量子时间同步的应用范围;同时,利用时间能量纠缠双光子源的一对一纠缠特性,能够有效降低探测器噪声对量子时间同步系统精度的影响;相较于现有的级联量子时间同步方案,本发明在每个级联站点,仅需要一次计算,即可获得两路相向传输的时间能量纠缠光子源的非定域二阶关联计算结果,可实现更快捷的钟差解算;可实现任意级联站间的高精度量子时间同步,使得高精度量子时间同步技术进一步满足多节点可扩展、远距离的时间同步应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的独立可扩展的级联量子时间同步装置的结构示意图;
图2为本发明实施例所提供的一种可扩展的级联量子时间同步系统的示意图;
附图标记:
1:脉冲延时模块;2:本地时间频率源;3:事件计时器;4:数据处理中心;5和6:单光子探测器;7和8:光耦合器;9和11:环形器:10和13:分光器;12:时间能量纠缠的双光子源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例为了克服现有量子时间同步技术在长距离链路上应用的缺点,使得量子时间同步可向网络化、长距离、多用户应用拓展,以双向量子时间同步方案为基础,提供了一种可扩展的级联量子时间同步系统。
该系统是为多个站点均配备预设的独立可扩展的级联量子时间同步装置后,将各站点顺次串联并建立相邻站点双向级联关系构成的。
具体的,可以将待同步的多个站点,分别内置所述独立可扩展的级联量子时间同步装置,并利用独立可扩展的级联量子时间同步装置的连接关系,在所述多个站点间建立相邻站点双向的级联关系,可以表示为:站点N,从而构成可扩展的级联量子时间同步系统,其中,N表示所述多个站点的总数。
其中,请参见图1,所述独立可扩展的级联量子时间同步装置包括:脉冲延时模块1、本地时间频率源2、包含两通道的事件计时器3、数据处理中心4、单光子探测器5和6、光耦合器7和8、环形器9和11、分光器10和13、时间能量纠缠的双光子源12;
为了便于理解本发明实施例的方案,以四个站点级联作为示例,给出可扩展的级联量子时间同步系统的一种示意结构图,请参见图2所示。以下针对该系统进行具体说明:
所述系统中的连接链路包含时间能量纠缠的双光子源的传输链路和经典数据传输链路;其中,所述时间能量纠缠的双光子源的传输链路用于分发和传递时间能量纠缠双光子;所述经典数据传输链路用于在所述系统中任意一组事件计时器3和数据处理中心4之间传递事件计时器数据;在图1和图2中,所述时间能量纠缠的双光子源的传输链路以实线箭头线示意,所述经典数据传输链路以虚线箭头线示意。所述系统中,各站点的处理方式是类似的,以下以一个站点为例,对其内部独立可扩展的级联量子时间同步装置的各个部件分别进行说明。每个站点中:
本地时间频率源2:本地时间频率源2输出的时间信号为1PPS(1Pulse PerSecond,秒脉冲)信号;用于提供本地的时间频率。
其中,所述本地时间频率源2,可以包括原子钟或精密晶振,在此不做限制。
时间能量纠缠的双光子源12:时间能量纠缠的双光子源12用于输出闲置光子和信号光子分别送入分光器10和13;其中,本领域技术人员可以理解的是,时间能量纠缠的双光子源的双光子分别称为信号光子和闲置光子。
分光器10和13:
分光器10用于将接收到的闲置光子分别送入光耦合器7和8;分光器13用于将接收到的信号光子分别送入环形器9和11;
其中,分光器10和13可以是相同的,均能够将接收到的光子分为两路,但需确保尽可能少地破坏纠缠双光子的关联特性。
送入环形器7和8的闲置光子分别作为传输到两个相邻站点的信号光子的本地参考光;送入环形器9和11的信号光子作为传输到前后两个相邻站点的纠缠光子。
若该站点前面有相邻站点,该站点通过本地的环形器9将信号光子传输至前一相邻站点的环形器11;若该站点后面有相邻站点,该站点通过本地的环形器11将信号光子传输至后一相邻站点的环形器9;
光耦合器7和8:
光耦合器7用于利用环形器9接收存在的前一相邻站点的纠缠光子,将其和已收到的闲置光子耦合入单光子探测器5;
具体的,若该站点前面有相邻站点,该站点的光耦合器7利用本地的环形器9接收前一相邻站点通过其环形器11发来的纠缠光子,该站点的光耦合器7将接收到的纠缠光子和已利用本地的分光器10收到的闲置光子耦合入单光子探测器5;
光耦合器8用于利用环形器11接收存在的后一相邻站点的纠缠光子,将其和已收到的闲置光子耦合入单光子探测器6;
具体的,若该站点后面有相邻站点,该站点的光耦合器8利用本地的环形器11接收后一相邻站点通过其环形器9发来的纠缠光子,该站点的光耦合器8将接收到的纠缠光子和已利用本地的分光器10收到的闲置光子耦合入单光子探测器6;
而针对所述系统的首尾站点,首站点中,光耦合器7仅接收分光器10发送的闲置光子并将其耦合入单光子探测器5;所述系统的尾站点中,光耦合器8仅接收分光器10发送的闲置光子并将其耦合入单光子探测器6。
单光子探测器5和6:单光子探测器5和6用于将探测到的光子传输到事件计时器3;
事件计时器3:事件计时器3的系统时钟被严格同步到本地时间频率源2;事件计时器3用于记录光子的到达时间信息,得到事件计时器数据;其中,可以理解的是,光子的到达时间信息以携带时间戳的序列形式体现的。
数据处理中心4:数据处理中心4用于获取所述系统中任一站点的事件计时器数据,将参考站点和本地站点以及两者间各个站点的事件计时器数据进行计算,得到所述参考站点与本地站点的1PPS时间信号之间的钟差信息;
其中,该本地站点的数据处理中心4不仅可以获取本地的事件计时器3发送的事件计时器数据,还可以获取系统中任意一个参考站点的事件计时器3发送的事件计时器数据,具体是经由所述经典数据传输链路实现获取。因此,各个站点可获得各自站点的高精度量子时间同步信息,包括与前一级联站点及后一级联站点的钟差信息均可获取。参考站点是该系统中除了该本地站点以外的任意一个站点,是该本地站点想要与其时间同步的一个站点。
具体的,数据处理中心4将参考站点和本地站点以及两者间各个站点的事件计时器数据,基于非定域的二阶关联算法及双向时间同步协议进行计算,得到所述参考站点与本地站点的1PPS时间信号之间的钟差信息。关于非定域的二阶关联算法及双向时间同步协议请参见相关技术理解,在此不做说明。
脉冲延时模块1:脉冲延时模块1用于根据本地站点得到的钟差信息,实现本地站点与所述参考站点间的时钟同步。
具体的,脉冲延时模块1根据本地站点得到的钟差信息,通过调整本地时间频率源2输出的1PPS信号的脉冲时延,实现本地站点与所述参考站点间的时钟同步。
可见,本发明实施例的系统,可以实现内部任意两个站点之间的时钟同步,而时间同步的两个站点并不局限于相邻站点或者首尾站点之间。因此,时间同步的扩展性得到极大增强。同时,本发明实施例中,本地站点获取想要同步的参考站点的事件计时器数据,以及参考站点和本地站点之间各个站点的事件计时器数据后,与本地的事件计时器数据进行计算即可实现参考站点和本地站点的时钟同步,无需重复获取中间站点的时钟信息。因此,可以简化计算,提高时间同步效率。
本发明实施例的系统中,首站点内的所述独立可扩展的级联量子时间同步装置中的环形器9为与前级站点级联的扩展端口;尾站点内的所述独立可扩展的级联量子时间同步装置中的环形器11为与后级站点级联的扩展端口。因此,针对图2,若需要对该系统进行扩展,目前站点R1的环形器9可以与新加的前一相邻的站点的环形器11双向连接;目前站点R4的环形器11可以与新加的后一相邻的站点的的环形器9双向连接;在此不做图示说明。而且为了便于展示可扩展功能,图2中站点R1的光耦合器7与环形器9具有连接关系,站点R4的光耦合器8与环形器11具有连接关系。但如前文所述,若站点R1和站点R4为该系统的首尾站点,上述两个连接关系中并不存在箭头示意方向的光子传输。
因此,本发明实施例可以很容易地直接扩展到多级级联的系统,可以扩展量子时间同步的传输距离。针对多级级联的量子时间同步系统,只需对每一个级联的站点采取上述描述的站点操作过程,并进行相应的钟差解算,即可实现系统中任意两个级联站间的远距离高精度量子时间同步。
并且,本发明实施例中,将本地的纠缠光子和本地站点接收到的相邻级联站点的纠缠光子在同一个探测器中高效探测,且不影响钟差信息获取。利用时间能量纠缠双光子源的一对一纠缠特性,将两路信号有效分离,从而将探测器不同引起的噪声转为共模噪声,并通过钟差提取算法将共模噪声扣除,可以降低量子时间同步系统中由探测器噪声引起的时间同步误差。
综上可见,本发明实施例具有以下有益效果:
本发明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高精度优势的基础上,大幅扩展了量子时间同步的应用范围;同时,利用时间能量纠缠双光子源的一对一纠缠特性,能够有效降低探测器噪声对量子时间同步系统精度的影响;相较于现有的级联量子时间同步方案,本发明在每个级联站点,仅需要一次计算,即可获得两路相向传输的时间能量纠缠光子源的非定域二阶关联计算结果,可实现更快捷的钟差解算;可实现任意级联站间的高精度量子时间同步,使得高精度量子时间同步技术进一步满足多节点可扩展、远距离的时间同步应用需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。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,均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种可扩展的级联量子时间同步系统,其特征在于,所述系统是为多个站点均配备预设的独立可扩展的级联量子时间同步装置后,将各站点顺次串联并建立相邻站点双向级联关系构成的,其中,
所述独立可扩展的级联量子时间同步装置包括:脉冲延时模块 (1) 、本地时间频率源(2) 、包含两通道的事件计时器(3) 、数据处理中心(4) 、第一单光子探测器(5)和第二单光子探测器(6)、第一光耦合器(7)和第二光耦合器(8)、第一环形器(9)和第二环形器(11)、第一分光器(10)和第二分光器(13)、时间能量纠缠的双光子源(12);
每个站点中,本地时间频率源(2)输出的时间信号为1PPS信号,事件计时器(3)的系统时钟被严格同步到本地时间频率源(2);
时间能量纠缠的双光子源(12)用于输出闲置光子和信号光子分别送入第一分光器(10)和第二分光器(13);
第一分光器(10)用于将接收到的闲置光子分别送入第一光耦合器(7)和第二光耦合器(8);第二分光器(13)用于将接收到的信号光子分别送入第一环形器(9)和第二环形器(11),作为传输到前后两个相邻站点的纠缠光子;
第一光耦合器(7)用于利用第一环形器(9)接收存在的前一相邻站点的纠缠光子,将其和已收到的闲置光子耦合入第一单光子探测器(5);第二光耦合器(8)用于利用第二环形器(11)接收存在的后一相邻站点的纠缠光子,将其和已收到的闲置光子耦合入第二单光子探测器(6);
第一单光子探测器(5)和第二单光子探测器(6)用于将探测到的光子传输到事件计时器(3);事件计时器(3)用于记录光子的到达时间信息,得到事件计时器数据;
数据处理中心(4)用于获取所述系统中任一站点的事件计时器数据,将参考站点和本地站点以及两者间各个站点的事件计时器数据进行计算,得到所述参考站点与本地站点的1PPS时间信号之间的钟差信息;
脉冲延时模块(1)用于根据本地站点得到的钟差信息,实现本地站点与所述参考站点间的时钟同步。
2. 根据权利要求 1所述的可扩展的级联量子时间同步系统,其特征在于,所述本地时间频率源(2),包括原子钟或精密晶振。
3. 根据权利要求 1所述的可扩展的级联量子时间同步系统,其特征在于,所述系统中的连接链路包含时间能量纠缠的双光子源的传输链路和经典数据传输链路;其中,所述时间能量纠缠的双光子源的传输链路用于分发和传递时间能量纠缠双光子;所述经典数据传输链路用于在所述系统中任意一组事件计时器(3)和数据处理中心(4)之间传递事件计时器数据。
4. 根据权利要求 1所述的可扩展的级联量子时间同步系统,其特征在于,数据处理中心(4)将参考站点和本地站点以及两者间各个站点的事件计时器数据进行计算,得到所述参考站点与本地站点的1PPS时间信号之间的钟差信息,包括:
数据处理中心(4)将参考站点和本地站点以及两者间各个站点的事件计时器数据,基于非定域的二阶关联算法及双向时间同步协议进行计算,得到所述参考站点与本地站点的1PPS时间信号之间的钟差信息。
5. 根据权利要求 1所述的可扩展的级联量子时间同步系统,其特征在于,脉冲延时模块(1)根据本地站点得到的钟差信息,实现本地站点与所述参考站点间的时钟同步,包括:
脉冲延时模块(1)根据本地站点得到的钟差信息,通过调整本地时间频率源(2)输出的1PPS信号的脉冲时延,实现本地站点与所述参考站点间的时钟同步。
6. 根据权利要求 1所述的可扩展的级联量子时间同步系统,其特征在于,所述系统中,首站点内的所述独立可扩展的级联量子时间同步装置中的第一环形器(9)为与前级站点级联的扩展端口;尾站点内的所述独立可扩展的级联量子时间同步装置中的第二环形器(11)为与后级站点级联的扩展端口。
7. 根据权利要求 1或6所述的可扩展的级联量子时间同步系统,其特征在于,所述系统的首站点中,第一光耦合器(7)仅接收第一分光器(10)发送的闲置光子并将其耦合入第一单光子探测器(5);所述系统的尾站点中,第二光耦合器(8)仅接收第一分光器(10)发送的闲置光子并将其耦合入第二单光子探测器(6)。
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