JP7301414B2 - 偏光エンタングルｇｈｚ状態に基づく二分法クロック同期システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、量子情報および光通信の技術分野、特に偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期システムおよび方法に関する。

高精度のクロック同期は、基礎科学研究、情報セキュリティ、通信、ナビゲーション、国土安全保障などの多くの適用で重要な役割を果たす。現代の原子時計技術の絶え間ない開発により、クロックの精度は１０^―１８秒に達している。これに対して、クロック同期技術の精度はわずか１０^―９秒であり、クロック自体の精度とはかけ離れる。精密時間の適用において、クロック同期技術の分解能と精度が主な制限要因となる。そのため、クロック同期技術の精度を向上させる研究は、研究者からますます注目されている。

空間的に離れたクロックの時刻同期には、Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ低速クロック移行法とアインシュタインの光信号交換同期法という２つの一般的な方法がある。Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ低速クロック移行において、２つの同位相クロックが最初に同期され、その後、他のクロックを同期するためにこれらのクロックのうちの１つがゆっくりと別の位置に転送される。現在の技術的適用のほとんどにとって、この方法は実用的ではない。第一に、ハードウェアの移行が必要で、コストと効率は実際の適用要件を満たしにくい。第二に、技術的要件が互いに矛盾し、一方では、相対論的効果によって引き起こされる時間拡張の影響を低減させるために、クロック移行プロセスをできるだけ遅くする必要があるが、他方では、避けられない時間誤差、および周波数の安定性に限界があるため、著しい時間誤差を避けるために、できるだけ早く移行プロセスを完了する必要がある。これらの要因により、Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ低速クロック移行法の同期精度と効率を向上させにくく、実際の適用には限界がある。

現段階で広く使用されている時刻同期技術は、主に空間的に離れた２つのクロック間で一般的な光信号を交換する双方向プロトコルであるアインシュタインプロトコルに基づいている。しかしながら、アインシュタインプロトコルは、（１）光の一方向速度の正確な値がわかっていること、（２）各方向の信号伝送速度が同じであること、という２つの条件を満たす必要がある。これに加えて、アインシュタインクロック同期プロトコルについて、時刻同期の可能な精度は、測定されたパルス到着時刻Δｔの精度によって決定される。そのため、一般的な方法の同期精度は、一般的なΔtの限界（散乱粒子ノイズの限界）によって制限される。

クロック同期の精度を散乱粒子ノイズ限界の測定精度限界を突破させるために、近年、量子力学の原理に基づくいくつかのクロック同期手段が提案された。量子力学的方法は、一般的な方法よりも高いクロック同期精度を提供できることが期待される。

２００１年、Chuangは、n個の量子ビットを交換するだけで、クロック差ΔＴの精度がｎビットになる量子クロック同期アルゴリズム（ＱＣＳ）を提案した。従来のアルゴリズムと比較して、該量子アルゴリズムは指数関数的に改善されるが、該アルゴリズムは量子コンピューティングに依存しているため、量子コンピューティングが成熟する前では、これらのプロトコルを実際の環境で実用化することは難しい。

２００４年、BahderとGoldingは、2次量子干渉効果に基づく量子同期方式を提案した。該方式では、エンタングルド光を光信号として使用し、ＨＯＭ干渉計を用いて光信号間の相対オフセットを測定することで、同期精度が高くなる。しかしながら、該方式では、光信号も双方向伝送であり、各方向での信号伝送速度を同じにする必要があり、実用性がある程度制限される。

従来技術では、特許２０１６１１０８１９０５．１などにおいて、光ファイバ時刻同期法を用いて受信側で時刻信号を得る試みは、精度が高いなどの利点があり、正確に時刻同期を達成したが、ショットノイズの限界を突破しにくい。

従来技術では、特許２０１８１０４３６６４１．Ｘなどにおいて、周波数エンタングルド光源を時間信号のキャリアとして使用する試みは、ショットノイズの限界を突破したが、双方向伝送が使用されるため、必然的に光ファイバに沿った異なる方向への光信号の伝搬速度に対する要求が高くなる。

本発明の目的は、従来技術の不足を克服するために、一方向伝送、高精度、および調整可能な精度を持つ偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期システムおよび方法を提供することである。

本発明において、前記偏光エンタングルＧＨＺ状態に対する測定と比較により、第一同期側と送信側パス（Ｌ１）、第二同期側と送信側パス（Ｌ２）の光路長の大きさの順序付けが達成され、前記二分法を用いて、Ｌ１の光路長をＬ２に収束させ続け、同期する２つの光子の測定が同じ時刻に収束し、最終的には２つのクロックの同期を達成する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決手段を採用する。

偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期システムは、第一同期側、第二同期側、および送信側を含む。
前記第一同期側と第二同期側は、一般的なチャネルを介して接続され、送信側と第一同期側は、量子チャネルを介して接続され、送信側と第二同期側は、量子チャネルと一般的なチャネルを介して接続され、
ここで、前記送信側は、３光子偏光エンタングルＧＨＺ状態を発生し、そして１つの光子の偏光状態を測定するために使用される。
前記第一同期側と第二同期側は、他の２つの光子の偏光状態に対する測定を行い、第二同期側と送信側は、測定結果を比較して、第一同期側と第二同期側との間の測定順序情報を取得する。

前記送信側は、ＧＨＺ状態エンタングルメントソース、光遅延線（ＯＤＬ）、ディスクファイバ、第三偏光子、および第三検出器を含む。

前記光遅延線はＧＨＺ状態エンタングルメントソースに接続され、前記ＧＨＺ状態エンタングルメントソースはディスクファイバを介して第三偏光子に接続され、前記第三偏光子は第三検出器に接続される。

好ましくは、前記第三偏光子は４５度偏光子である。

前記第一同期側は、第一偏光子、第一検出器、第一パルスレーザー（Ｌａｓｅｒ１）、第一クロック、および第一光サーキュレータを含む。

好ましくは、前記第一偏光子は水平偏光子である。

前記第二同期側は、第二偏光子、第二検出器、第二パルスレーザー（Ｌａｓｅｒ２）、第二クロック、および第二光サーキュレータを含む。

好ましくは、前記第二偏光板は４５度偏光子である。

前記送信側では、ＧＨＺ状態エンタングルメントソースは、それぞれ第一出力端、第二出力端、第三出力端という３つの出力端を含む。

ここで、第一出力端は光遅延線の入力端に接続され、光遅延線、ディスクファイバを介して、光ファイバを介して第一同期側に接続され、第二出力端は光ファイバを介して第二同期側に直接接続され、第三出力端はディスクファイバおよび第三偏光子を順に介して第三検出器の入力端に接続される。

前記第一同期側および第二同期側において、第一光サーキュレータおよび第二光サーキュレータはそれぞれ、第一ポート、第二ポート、および第三ポートという３つのポートを有する。

ここで、第一光サーキュレータの第一ポートは、第二光サーキュレータの第一ポートに接続される。

第一光サーキュレータの第二ポートは、第一パルスレーザーの出力端に接続され、第二光サーキュレータの第二ポートは、第二パルスレーザーの出力端に接続される。

第一光サーキュレータの第三ポートは、第一検出器の入力端に接続され、第二光サーキュレータの第三ポートは、第二検出器の入力端に接続される。

前記第一クロックは、第一パルスレーザーおよび第一検出器に接続され、前記第二クロックは、第二パルスレーザーおよび第二検出器に接続される。

前記第一偏光子は、第一検出器の入力端に接続され、前記第二偏光子は、第二検出器の入力端に接続される。

前記第一同期側にある偏光子は水平方向であり、光子のＺベースの偏光状態を区別するために使用され、前記第二同期側にある偏光子は４５度方向であり、これは送信側の偏光子の方向と一致し、光子のＸベースの偏光状態を区別するために使用され、前記第一検出器および第二検出器は両方とも、光子に対する検出応答を提供するために使用され、前記第一および第二パルスレーザーは、第一同期側と第二同期側との間の初期クロック同期を達成するための一般的なレーザーパルスを生成し、前記第一クロックおよび第二クロックは両方とも同期されるクロックであり、第一検出器および第二検出器によって検出された光子の現地時刻を同時に記録し、前記第一および第二光サーキュレータは両方とも、第一同期側と第二同期側との間の双方向の一般的なパルス信号交換を実現するための非相反光路を提供するために使用される。

偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく前記二分法クロック同期システムにおいて、ＧＨＺ状態エンタングルメントソースの第一出力端から出射された光信号は、順に光遅延線（ＯＤＬ）、ディスクファイバ、光ファイバ、および第一偏光子を介して第一検出器に入り、これに対応して、ＧＨＺ状態エンタングルメントソースの第二出力端から出射された光信号は、順に光ファイバおよび第二偏光子を介して第二検出器に入り、ＧＨＺ状態エンタングルメントソースの第三出力端から出射された光信号は、順にディスクファイバおよび第三偏光子を介して第三検出器に入る。第一同期側にある第一パルスレーザー（Ｌａｓｅｒ１）から出射された光信号は、第一光サーキュレータの第二ポートから入力され、第一ポートから出力された後、光ファイバで伝送されてから第二光サーキュレータの第一ポートから入力され、第二ポートから出力され、第二検出器に入り、これに対応して、第二同期側にある第二パルスレーザー（Ｌａｓｅｒ２）から出射された光信号は、第二光サーキュレータの第二ポートから入力され、第一ポートから出力された後、光ファイバで伝送されてから第一光サーキュレータの第一ポートから入力され、第三ポートから出力され、第一検出器に入る。第一同期側にある第一クロックおよび第二同期側にある第二クロックは、光信号の出射時刻と到着時刻を記録する。

偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期方法は、以下のステップを含む：
ステップ１において、信号を交換し、第一同期側および第二同期側にそれぞれ配置される第一パルスレーザーおよび第二パルスレーザーは、それぞれのクロックの「０」時刻で一般的なパルス信号を励起し、その信号は、それぞれの光サーキュレータを介して互いに送信される。
ステップ２において、信号を測定し、第一同期側と第二同期側では、相手の光サーキュレータから送信された信号をそれぞれ受信し、そして受信された信号はローカル光サーキュレータを通過した後、ローカル検出器に送信され、第一同期側と第二同期側はそれぞれ、信号の到着時刻τ_ａとτ_ｂを測定し、以下の式を取得しやすく、
τ_ａ＝Ｔ_ｌｉｎｋ＋ΔＴ_ａｂ－式（１）、
τ_ｂ＝Ｔ_ｌｉｎｋ－ΔＴ_ａｂ－式（２）、
式中、Ｔ_ｌｉｎｋは、第一検出器と第二検出器との間の光路における光パルスの伝送時間であり、ΔＴ_ａｂは、第一クロックと第二クロックとの間のクロック差である。
ステップ３において、結果を分析し、Ｔ_ｌｉｎｋは、ステップ２における前記式（１）と（２）を同時に合計することで取得でき、ΔＴ_ａｂは、同時に減算することで取得できる。このようにして、第一クロックと第二クロックとの間の大まかな値ΔＴ_ａｂを得ることができる。第一同期側および第二同期側の両方は、この差に基づいてクロックに対する初期校正を行う。従来のクロック同期で達成できる精度を考慮すると、ＡとＢのクロックは、校正後でも、ΔＴ_０の範囲内のクロック差がある。（ΔＴ_０は通常１０ｎｓのオーダーである）。
ステップ４において、光パルスを送信し、送信側は、単一光子パルスを同時に第一同期側と第二同期側にそれぞれ送信し、第一同期側と第二同期側はそれぞれ、光パルスを受信した時刻ｔ_ａとｔ_ｂを記録し、そして測定結果を公開する。
ステップ５において、光遅延を初期調整し、測定されたｔ_ａとｔ_ｂに基づいて、送信側は、再測定の結果がｔ_ａ＝ｔ_ｂを満たすように光遅延線を調整する。
ステップ６において、エンタングル状態を送信し、送信側は偏光エンタングルＧＨＺ状態の３光子を発生し、量子状態は

であり、それを第一、第二、および第三検出器に同時に送信する。
ステップ７において、測定および決定を行う：第一同期側、第二同期側、および送信側は受信された光子を測定する。ここで、第一同期側が選択する測定ベースはＺベースであり、第二同期側および送信側が選択する測定ベースはＸベースである。数回の測定の後、送信側と第二同期側の測定結果の比較に基づいて決定基準に応じて第一同期側と第二同期側のうちのどちらが最初に光子を測定したかを決定することができる。
ステップ８において、光遅延を調整し、１回目の測定後、第一同期側が最初に光子を測定したと決定された場合、第一同期側と送信側の間の光遅延は送信側によってΔＴ_０だけ増加され、第二同期側が最初に光子を測定したと決定された場合、第一同期側と送信側の間の光遅延は送信側によってΔＴ_０だけ短縮される。
ステップ９において、複数回測定し、第一同期側、第二同期側、および送信側は、引き続きステップ６、ステップ７、およびステップ８を実行し、２回目の測定および光遅延微調整を開始する。違いは、２回目の光遅延微調整がΔＴ_０／２になることであり、それは前回の半分である。その後、３回目、４回目、５回目．．．．．．の測定を続行し、微調整量もそれに対応してΔＴ_０／４、ΔＴ_０／８、ΔＴ_０／１６．．．．．．になる。２つのアームの光遅延の差が常に０に近づくように収束するように二分法を用いて光遅延を調整し、何度も繰り返した後、光子は高精度で同時に第一検出器と第二検出器に到着する。
ステップ１０において、時刻を記録して同期を完了し、各側は、実際の精度要件に従って複数回の測定を実行し、第一同期側および第二同期側はそれぞれ、最後の測定での光子の到着時刻Ｔ_ａとＴ_ｂを記録する。このとき、ΔＴ_ａｂ＝Ｔ_ａ－Ｔ_ｂと実際のクロック差との差は十分に小さいため、ΔＴ_ａｂを実際のクロック差と見なすことができ、第一同期側および第二同期側は、この差に基づいてクロック校正を行い、それにより、クロックの同期が達成される。

具体的には、ステップＳ１において、第一パルスレーザーおよび第二パルスレーザーは、それぞれのクロックの時刻「０」で一般的なパルス信号を励起し、信号は、それぞれのサーキュレータを介して互いに送信され、ここで、それぞれのクロックは、第一同期側および第二同期側のそれぞれのクロック、すなわち、第一クロックおよび第二クロックを指し、それぞれの光サーキュレータは、第一同期側および第二同期側のそれぞれの光サーキュレータ、すなわち、第一光サーキュレータおよび第二光サーキュレータを指す。

従来技術に比べて、本発明の有益な効果は以下のとおりであり、
１、光信号の伝送は一方向伝送であり、全方向への信号の伝送速度が要求されないため、制限が少なく、伝送経路が短くなり、伝送中、光ファイバの不安定による影響は少ない。
２、量子エンタングルは非局所効果であり、「瞬間性」があり、より高い精度の限界に達する可能性がある。
３、両方の同期側は、実際の精度要件に応じて異なる回数の反復を行うことができ、精度と効率の最適化を達成する。

図１は本発明における同期側Ａの構造ブロック図である。 図２は本発明における同期側Ｂの構造ブロック図である。 図３は本発明における同期側Ｃの構造ブロック図である。 図４は本発明の全体的な動作原理を示すブロック図である。 図５は本発明の動作フローチャートである。

以下では、添付の図面を参照して本発明の具体的な実施形態について説明する。

図４に示すとおり、偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期システムであって、第一同期側、第二同期側、および送信側を含む。本実施例において、図面に対応して、第一同期側は同期側Ａであり、第二同期側は同期側Ｂであり、送信側は送信側Ｃである。

ここで、前記同期側Ａと同期側Ｂは一般的なチャネルを介して接続され、送信側Ｃと同期側Ａは量子チャネルを介して接続され、送信側Ｃと同期側Ｂは量子チャネルと一般的なチャネルを介して接続される。

より具体的には、前記送信側Ｃは、３光子偏光エンタングルＧＨＺ状態の発生を達成し、そして光子のうちの１つの偏光状態を測定するために使用される。前記同期側ＡとＢは、他の２つの光子の偏光状態を測定し、同期側Ｂと送信側Ｃは、測定結果を比較してＡとＢの間の測定順序情報を取得する。

具体的には、図３に示すとおり、前記送信側Ｃは、ＧＨＺ状態エンタングルメントソース、光遅延線（ＯＤＬ）、ディスクファイバ、４５度偏光子（第三偏光子）、および検出器Ｃ（第三検出器）を含む。

図１および図２に示すとおり、前記同期側Ａは、水平偏光子（第一偏光子）、検出器Ａ（第一検出器）、Ｌａｓｅｒ１（第一パルスレーザー）、クロックＡ（第一クロック）、および光サーキュレータＡ（第一光サーキュレータ）を含む。

前記同期側Ｂは、４５度偏光子（第二偏光子）、検出器Ｂ（第二検出器）、Ｌａｓｅｒ２（第二パルスレーザー）、クロックＢ（第二クロック）、および光サーキュレータＢ（第二光サーキュレータ）を含む。

前記送信側Ｃにおいて、ＧＨＺ状態エンタングルメントソースには３つの出力端がある。ここで、出力端１（第一出力端）は、光遅延線の入力端に接続され、光遅延線を介して同期側Ａに接続され、出力端２（第二出力端）は、光ファイバを介して同期側Ｂに直接接続され、出力端３（第三出力端）は、順にディスクファイバおよび４５度偏光子（第三偏光子）を介して検出器Ｃ（第三検出器）の入力端に接続される。

前記同期側Ａおよび同期側Ｂにおいて、光サーキュレータには３つのポートがあり、ここで、光サーキュレータＡのポート１（第一ポート）は、光サーキュレータＢのポート１（第一ポート）に接続され、光サーキュレータＡとＢのポート２（すなわち、光サーキュレータＡの第二ポートと光サーキュレータＢの第二ポート）はそれぞれ同期側にあるレーザーの出力端に接続され、光サーキュレータＡとＢのポート３（第三ポート）はそれぞれ、同期側にある検出器の入力端に直接接続される。前記クロックはレーザーと検出器に接続される。前記偏光子は、検出器の入力端に接続される。

前記同期側Ａにある偏光子は水平方向であり、光子のＺベースの偏光状態を区別するために使用され、前記同期側Ｂにある偏光子は４５度方向であり、これは送信側Ｃにある偏光子の方向と一致し、光子のＸベースの偏光状態を区別するために使用され、前記検出器は、光子に対する検出応答を提供するために使用され、前記パルスレーザーは、同期側Ａと同期側Ｂとの間の初期クロック同期を達成するための一般的なレーザーパルスを生成し、前記クロックは同期されるクロックであり、検出器によって検出された光子の現地時刻を同時に記録し、前記光サーキュレータは、ＡとＢとの間の双方向の一般的なパルス信号交換を実現するための非相反光路を提供するために使用される。

偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく前記二分法クロック同期システムにおいて、ＧＨＺ状態エンタングルメントソースの出力端１から出射された光信号は、順に光遅延線（ＯＤＬ）、ディスクファイバ、光ファイバ、および水平偏光子を介して検出器Ａに入り、これに対応して、ＧＨＺ状態エンタングルメントソースの出力端２から出射された光信号は、順に光ファイバおよび４５度偏光子を介して検出器Ｂに入り、ＧＨＺ状態エンタングルメントソースの出力端３から出射された光信号は、順にディスクファイバおよび４５度偏光子を介して検出器Ｃに入る。同期側Ａにあるパルスレーザー（Ｌａｓｅｒ１）から出射された光信号は、光サーキュレータＡのポート２から入力され、ポート１から出力された後、光ファイバで伝送されてから光サーキュレータＢのポート１から入力され、ポート３から出力され、検出器Ｂに入り、これに対応して、同期側Ｂにあるパルスレーザー（Ｌａｓｅｒ２）から出射された光信号は、光サーキュレータＢのポート２から入力され、ポート１から出力された後、光ファイバで伝送されてから光サーキュレータＡのポート１から入力され、ポート３から出力され、検出器Ａに入る。同期側ＡにあるクロックＡおよび同期側ＢにあるクロックＢは、光信号の出射時刻と到着時刻を記録する。

図５に示すとおり、偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期方法は、以下のステップを含む：
ステップ１において、一般的な信号を交換し、同期側Ａおよび同期側Ｂに配置されるパルスレーザーは、それぞれのクロックの「０」時刻で一般的なパルス信号を励起し、その信号は、それぞれの光サーキュレータを介して互いに送信される。

ステップ２において、一般的な信号を測定し、同期側ＡとＢでは、相手からの信号は光サーキュレータを通過した後、検出器に送信され、ＡとＢの両方の同期されるクロックＡとＢはそれぞれ、信号の到着時刻τａとτｂを記録する。τ_ａ＝Ｔ_ｌｉｎｋ＋ΔＴ_ａｂとτ_ｂ＝Ｔ_ｌｉｎｋ－ΔＴ_ａｂを取得しやすい。式中、Ｔ_ｌｉｎｋは、検出器Ａと検出器Ｂとの間の光路における光パルスの伝送時間であり、ΔＴ_ａｂは、クロックＡとクロックＢとの間のクロック差である。

この時点で、同期側ＡとＢは、最初の時刻同期を完了する。偏光エンタングルメントＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期方法の次の発展のために、前提となる基礎を築く。

一般的なクロック同期方法で形成された前提条件に基づいて、以下では、偏光エンタングルメントＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期方法が開発され、
ステップ４において、光パルスを送信し、送信側ＣにあるＧＨＺ状態のエンタングルメントソースは、単一光子パルスを同時に同期側ＡとＢおよびローカル検出器Ｃに同時に送信し、ＡとＢの同期されるクロックはそれぞれ、光パルスを受信した時刻ｔ_ａとｔ_ｂを記録する。

ステップ５において、光遅延を初期調整し、送信機Ｃは、再測定の結果がｔ_ａ＝ｔ_ｂを満たすように、光遅延線（ＯＤＬ）を介してＬ１の光遅延を調整する。

ステップ７において、測定および決定し、同期側Ａ、同期側Ｂ、および送信側Ｃにある検出器は受信された光子を測定する。検出器Ａの前端には、Ｚベースの偏光測定に対応する水平偏光子が配置され、検出器ＢとＣの前端には、Ｘベースの偏光測定に対応する４５度偏光子が配置される。数回の測定の後、送信側Ｃと同期側Ｂの測定結果の比較に基づいて決定基準に応じて同期側Ａと同期側Ｂのうちのどちらが最初に光子を測定したかを決定することができる。

ステップ８において、光遅延を調整し、１回目の測定後、同期側Ａが最初に光子を測定したと決定された場合、光遅延線ＯＤＬを介してＬ１の光遅延を送信側ＣによってΔＴ_０だけ増加し、同期側Ｂが最初に光子を測定したと決定された場合、光遅延線ＯＤＬを介してＬ１の光遅延をΔＴ_０だけ短縮する。

ステップ９において、複数回測定し、Ａ、Ｂ、およびＣは、引き続きステップ６、ステップ７、およびステップ８を実行し、２回目の測定および光遅延微調整を開始する。違いは、２回目の光遅延微調整がΔＴ_０／２になることであり、それは前回の半分である。その後、３回目、４回目、５回目．．．．．．の測定を続行し、微調整量もそれに対応してΔＴ_０／４、ΔＴ_０／８、ΔＴ_０／１６．．．．．．になる。２つのアームの光遅延の差が常に０に近づくように収束するように二分法を用いて光遅延を調整し、何度も繰り返した後、光子は高精度で同時に第一検出器と第二検出器に到着する。

ステップ１０において、時刻を記録して同期を完了し、各側は、実際の精度要件に従って複数回の測定を実行し、同期側Ａおよび同期側Ｂにある同期されるクロックはそれぞれ、最後の測定での光子の到着時刻Ｔ_ａとＴ_ｂを記録する。このとき、ΔＴ_ａｂ＝Ｔ_ａ－Ｔ_ｂと実際のクロック差との差は十分に小さいため、ΔＴ_ａｂを実際のクロック差と見なすことができ、同期側Ａおよび同期側Ｂは、この差に基づいてクロック校正を行い、それにより、クロックの同期が達成される。

１、一方の光子の偏光状態を測定すると、残りの２つの光子の偏光状態は即座に測定された光子の状態に崩壊する。
２、残りの２つの崩壊した光子は、エンタングルメント特性を持たなくなり、一方の光子の偏光状態を測定すると、もう一方の光子の偏光状態は影響を受けない。
３、ＧＨＺ状態のエンタングルメント効果は、「瞬時性」を伴う非局所効果であり、該システムが高精度のクロック同期を実現することを保証する。

ＧＨＺエンタングル状態の上記特性によれば、エンタングルメントソースと検出器Ｃとの間の光遅延がＬ１およびＬ２の光遅延よりも大きいという前提の下で、検出器Ａおよび検出器Ｂの測定結果は、次の２つのケースがある：
ケース１：同期側Ａが最初に光子を測定すると、３つの光子の偏光状態がすべてＺベースに投影され、次に同期側Ｂと送信側Ｃの測定が残りの２つの光子の偏光状態が再びＸベースに投影され、この時点で２つの光子は絡み合っていないため、同期側Ｂおよび送信側Ｃは、１／２の確率で異なる測定値を得ることになる。
ケース２：同期側Ｂが最初に光子を測定すると、３つの光子の偏光状態がすべてＸベースに投影され、同期側Ｂと送信側Ｃは同じ測定ベースを持っているため、ＢとＣは常に同じ測定結果を有する。

実際の測定では、同期側ＢとＣが異なる結果を測定すると、ケース１と決定することができる。しかしながら、複数回測定しても同じ測定結果が得られる場合があり、その結果、具体的な状況を決定することができない。ただし、測定数が増えると、ケース１の確率も指数関数的に減衰している。同じ測定結果がｍ回連続して得られることを前提として、ケース１の確率はＰ（ｍ）＝２^－ｍである。この点で、同じ測定結果が１０回連続して得られた場合、ケース２と決定されることが合意される。このとき、エラーレートがＥ（ｍ）＝Ｐ（ｍ）＝２^－ｍ＝２^－１０であり、およそ１０００分の１の確率で、比較的低いレベルに制御される。

具体的には、前記ステップ１０において、信号到着時刻の測定には、同期側ＡとＢの両方が参加する必要がある。実際の展開を考えると、ＡとＢの両方の測定ベースに対する選択は偏光子で実現される。すなわち、毎回の測定では、検出器ＡとＢが同時に応答できない確率が１／２となり、その結果、最終的な時刻を得ることができない。しかしながら、上記のように、毎回の測定には複数回の測定が含まれる場合があり、複数回の測定を行うと、検出器ＡとＢを同時に応答させて測定時刻Ｔ_ａとＴ_ｂを取得することは難しくない。

同期精度は測定回数とともに指数関数的に増加することがわかり、クロック同期の精度は上記の式に従って評価でき、測定する必要のある回数も上記の式に従って指定された精度要件によって決定することができる。

１、本発明において、光信号の伝送は一方向伝送であり、全方向への信号の伝送速度が要求されないため、制限が少なく、伝送経路が短くなるため、伝送中、光ファイバの不安定による影響は少ない。
２、本発明に使用されるＧＨＺ状態エンタングルメント効果は非局所効果であり、「瞬間性」があり、より高い精度の限界に達する可能性がある。
３、本発明において、両方の同期側は、実際の精度要件に応じて異なる回数の反復を行うことができ、精度と効率の最適化を達成する。

上記明細書の開示および教示に基づいて、本発明が関係する当業者はまた、上記実施形態に変更および修正を加えることができる。したがって、本発明は、上記で開示および説明された具体的な実施形態に限定されず、本発明に対するいくつかの修正および変更もまた、本発明の特許請求の範囲内に含まれるべきである。また、本明細書では特定の用語を使用しているが、これらの用語は説明の便宜のためにのみ使用され、本発明を限定するものではない。

Claims (10)

1. 偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期システムであって、第一同期側、第二同期側、および送信側を含み、
   前記第一同期側と前記第二同期側は、一般的なチャネルを介して接続され、前記送信側と前記第一同期側は、量子チャネルを介して接続され、前記送信側と前記第二同期側は、量子チャネルと一般的なチャネルを介して接続され、
   ここで、前記送信側は、３光子偏光エンタングルＧＨＺ状態を発生し、そして１つの光子の偏光状態を測定するために使用され、
   前記第一同期側と前記第二同期側は、他の２つの光子の偏光状態に対する測定を行い、そして、前記第二同期側と前記送信側は、測定結果を比較して、前記第一同期側と前記第二同期側との間の測定順序情報を取得し、
   ステップ（ａ）において、エンタングル状態を送信し、前記送信側は偏光エンタングルＧＨＺ状態の３光子を発生し、量子状態は
   
   

   

   であり、それを前記第一同期側の第一検出器、前記第二同期側の第二検出器、および前記送信側の第三検出器に同時に送信し、
   ステップ（ｂ）において、測定および決定を行い、前記第一同期側、前記第二同期側、および前記送信側は受信された光子を測定し、
   ここで、前記第一同期側が選択する測定ベースはＺベースであり、前記第二同期側および前記送信側が選択する測定ベースはＸベースであり、数回の測定の後、前記送信側と前記第二同期側の測定結果の比較に基づいて決定基準に応じて前記第一同期側と前記第二同期側のうちのどちらが最初に光子を測定したかを決定することができ、
   ３つの光子の偏光状態がすべてZベースに投影された時、前記第二同期側と前記送信側の測定が残りの２つの光子の偏光状態が再びＸベースに投影され、前記第一同期側は先に光子が検出されると決定され、
   ３つの光子の偏光状態がすべてXベースに投影された時、前記第二同期側と前記送信側は同じ測定ベースを持っているため、前記第二同期側は先に光子が検出されると決定され、
   ステップ（ｃ）において、光遅延を調整し、１回目の測定後、前記第一同期側が最初に光子を測定したと決定された場合、前記第一同期側と前記送信側の間の光遅延は前記送信側によってΔＴ_０だけ増加され、前記第二同期側が最初に光子を測定したと決定された場合、前記第一同期側と前記送信側の間の光遅延は前記送信側によってΔＴ_０だけ短縮され、
   ステップ（ｄ）において、複数回測定し、前記第一同期側、前記第二同期側、および前記送信側は、引き続きステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、およびステップ（ｃ）を実行し、２回目の測定および光遅延微調整を開始し、２回目の光遅延微調整はΔＴ_０／２になり、
   次に３回目、４回目、５回目．．．．．．の測定を続行し、微調整量もそれに対応してΔＴ_０／４、ΔＴ_０／８、ΔＴ_０／１６．．．．．．になり、
   前記第一同期側と送信側パス（Ｌ１）の光遅延と前記第二同期側と送信側パス（Ｌ２）の光遅延との差が常に０に近づくように収束するように二分法を用いて光遅延を調整し、
   ステップ（ｅ）において、時刻を記録して同期を完了し、各側は、実際の精度要件に従って複数回の測定を実行し、前記第一同期側および前記第二同期側はそれぞれ、最後の測定での光子の到着時刻Ｔ_ａとＴ_ｂを記録し、
   このとき、ΔＴ_ａｂ＝Ｔ_ａ－Ｔ_ｂと実際のクロック差との差は十分に小さいため、ΔＴ_ａｂを実際のクロック差と見なすことができ、前記第一同期側および前記第二同期側は、この差に基づいてクロック校正を行い、それにより、クロックの同期が達成される、
   ことを特徴とする偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期システム。
2. 前記送信側は、ＧＨＺ状態エンタングルメントソース、光遅延線（ＯＤＬ）、ディスクファイバ、第三偏光子、および第三検出器を含み、
   前記光遅延線は前記ＧＨＺ状態エンタングルメントソースに接続され、前記ＧＨＺ状態エンタングルメントソースはディスクファイバを介して前記第三偏光子に接続され、前記第三偏光子は前記第三検出器に接続される、ことを特徴とする
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記ＧＨＺ状態エンタングルメントソースは、それぞれ第一出力端、第二出力端、第三出力端という３つの出力端を含み、
   ここで、前記第一出力端は前記光遅延線の入力端に接続され、前記光遅延線、ディスクファイバ、光ファイバを介して前記第一同期側に接続され、前記第二出力端は光ファイバを介して前記第二同期側に直接接続され、前記第三出力端はディスクファイバおよび前記第三偏光子を順に介して前記第三検出器の入力端に接続される、ことを特徴とする
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記ＧＨＺ状態エンタングルメントソースは、量子状態が
   
   

   

   の３光子偏光エンタングルＧＨＺ状態を発生し、
   前記光遅延線は、前記第一同期側と前記送信側との間の光遅延を調整するために使用され、
   前記ディスクファイバは、前記ＧＨＺ状態エンタングルメントソースと前記第三検出器との間の光遅延を提供し、また前記第一同期側と前記送信側との間および前記第二同期側と前記送信側との間の非対称性許容値を提供するために使用され、
   前記第三偏光子は４５度偏光子であり、前記４５度偏光子は、光子のＸベースの偏光状態を区別するために使用され、
   前記第三検出器は、光子に対する検出応答を提供する、ことを特徴とする
   請求項２に記載のシステム。
5. 前記第一同期側は、第一偏光子、第一検出器、第一パルスレーザー、第一クロック、および第一光サーキュレータを含み、
   前記第二同期側は、第二偏光子、第二検出器、第二パルスレーザー、第二クロック、および第二光サーキュレータを含み、
   前記第一クロックは、前記第一パルスレーザーおよび前記第一検出器に接続され、前記第二クロックは、前記第二パルスレーザーおよび前記第二検出器に接続され、
   前記第一偏光子は、前記第一検出器の入力端に接続され、前記第二偏光子は、前記第二検出器の入力端に接続される、ことを特徴とする
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記第一同期側および前記第二同期側において、前記第一光サーキュレータおよび前記第二光サーキュレータの両方は、それぞれ第一ポート、第二ポート、および第三ポートという３つのポートを有する、ことを特徴とする
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記第一光サーキュレータの第一ポートは、前記第二光サーキュレータの第一ポートに接続され、
   前記第一光サーキュレータの第二ポートは、前記第一パルスレーザーの出力端に接続され、
   前記第二光サーキュレータの第二ポートは、前記第二パルスレーザーの出力端に接続され、
   前記第一光サーキュレータの第三ポートは、前記第一検出器の入力端に接続され、
   前記第二光サーキュレータの第三ポートは、前記第二検出器の入力端に接続される、ことを特徴とする
   請求項６に記載のシステム。
8. 前記第一偏光子は水平偏光子であり、光子のＺベースの偏光状態を区別するために使用され、
   前記第二偏光子は４５度偏光子であり、光子のＸベースの偏光状態を区別するために使用される、ことを特徴とする
   請求項５に記載のシステム。
9. 前記第一検出器と前記第二検出器は両方とも、光子に対する検出応答を提供するために使用され、
   前記第一パルスレーザーおよび前記第二パルスレーザーは、第一同期側と前記第二同期側との間の初期クロック同期を達成するための一般的なレーザーパルスを生成し、
   前記第一クロックおよび前記第二クロックは両方とも同期されるクロックであり、前記第一検出器および前記第二検出器によって検出された光子の現地時刻を同時に記録し、
   前記第一光サーキュレータおよび前記第二光サーキュレータは両方とも、非相反光路を提供するために使用される、ことを特徴とする
   請求項５に記載のシステム。
10. 請求項５－９いずれか一項に記載の偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期システムを用いた偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期方法であって、以下のステップを含み、
    ステップ１において、信号を交換し、前記第一同期側および前記第二同期側にそれぞれ配置される前記第一パルスレーザーおよび前記第二パルスレーザーは、それぞれのクロックの「０」時刻で一般的なパルス信号を励起し、その信号は、それぞれの光サーキュレータを介して互いに送信され、
    ステップ２において、信号を測定し、前記第一同期側と前記第二同期側は、相手の光サーキュレータから送信された信号を受信し、次にローカル光サーキュレータを通過し、ローカル検出器に送信され、前記第一同期側と前記第二同期側はそれぞれ、信号の到着時刻τ_ａとτ_ｂを測定し、以下の式を取得し、
    τ_ａ＝Ｔ_ｌｉｎｋ＋ΔＴ_ａｂ－式（１）、
    τ_ｂ＝Ｔ_ｌｉｎｋ－ΔＴ_ａｂ－式（２）、
    式中、Ｔ_ｌｉｎｋは、前記第一同期側と前記第二同期側との間の光パルスの伝送時間であり、ΔＴ_ａｂは、前記第一クロックと前記第二クロックとの間のクロック差であり、
    ステップ３において、結果を分析し、Ｔ_ｌｉｎｋは、ステップ２における前記式（１）と（２）を同時に合計することで取得でき、ΔＴ_ａｂは、同時に減算することで取得でき、
    このようにして、前記第一クロックと前記第二クロックとの間の大まかな値ΔＴ_ａｂを得ることができ、前記第一同期側および前記第二同期側の両方は、この差に基づいてクロックに対する初期校正を行い、
    ステップ４において、光パルスを送信し、前記送信側は、単一光子パルスを同時に前記第一同期側と前記第二同期側にそれぞれ送信し、前記第一同期側と前記第二同期側はそれぞれ、光パルスを受信した時刻ｔ_ａとｔ_ｂを記録し、そして測定結果を公開し、
    ステップ５において、光遅延を初期調整し、測定されたｔ_ａとｔ_ｂに基づいて、前記送信側は、再測定の結果がｔ_ａ＝ｔ_ｂを満たすように光遅延線を調整し、
    ステップ６において、エンタングル状態を送信し、前記送信側は偏光エンタングルＧＨＺ状態の３光子を発生し、量子状態は
    
    

    

    であり、それを前記第一同期側の第一検出器、前記第二同期側の第二検出器、および前記送信側の第三検出器に同時に送信し、
    ステップ７において、測定および決定を行い、前記第一同期側、前記第二同期側、および前記送信側は受信された光子を測定し、
    ここで、前記第一同期側が選択する測定ベースはＺベースであり、前記第二同期側および前記送信側が選択する測定ベースはＸベースであり、数回の測定の後、前記送信側と前記第二同期側の測定結果の比較に基づいて決定基準に応じて前記第一同期側と前記第二同期側のうちのどちらが最初に光子を測定したかを決定することができ、
    ステップ８において、光遅延を調整し、１回目の測定後、前記第一同期側が最初に光子を測定したと決定された場合、前記第一同期側と前記送信側の間の光遅延は送信側によってΔＴ_０だけ増加され、前記第二同期側が最初に光子を測定したと決定された場合、前記第一同期側と前記送信側の間の光遅延は前記送信側によってΔＴ_０だけ短縮され、
    ステップ９において、複数回測定し、前記第一同期側、前記第二同期側、および前記送信側は、引き続きステップ６、ステップ７、およびステップ８を実行し、２回目の測定および光遅延微調整を開始し、
    ここで、２回目の光遅延微調整量はΔＴ_０／２であり、
    その後、３回目、４回目、５回目．．．．．．の測定を続行し、微調整量もそれに対応してΔＴ_０／４、ΔＴ_０／８、ΔＴ_０／１６．．．．．．になり、
    前記第一同期側と送信側パス（Ｌ１）の光遅延と前記第二同期側と送信側パス（Ｌ２）の光遅延との差が常に０に近づくように収束するように二分法を用いて光遅延を調整し、何度も繰り返した後、光子は高精度で同時に前記第一検出器と前記第二検出器に到着し、
    ステップ１０において、時刻を記録して同期を完了し、各側は、実際の精度要件に従って複数回の測定を実行し、前記第一同期側および前記第二同期側はそれぞれ、最後の測定での光子の到着時刻Ｔ_ａとＴ_ｂを記録し、
    このとき、ΔＴ_ａｂ＝Ｔ_ａ－Ｔ_ｂと実際のクロック差との差は十分に小さいため、ΔＴ_ａｂを実際のクロック差と見なすことができ、前記第一同期側および前記第二同期側は、この差に基づいてクロック校正を行い、それにより、クロックの同期が達成される、ことを特徴とする
    偏光エンタングルＧＨＺ状態に基づく二分法クロック同期方法。

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