高精度的時(shí)間信號(hào)廣泛地應(yīng)用在國民生活、科學(xué)研究、政治經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域。高精度的時(shí)間同步技術(shù)使高精度的時(shí)間信號(hào)得以廣泛應(yīng)用。為了高保真地傳遞時(shí)間信號(hào),時(shí)間傳遞手段的精度必須比被傳遞的時(shí)間信號(hào)精度高。雙向時(shí)間傳遞方法是精度很高的時(shí)間同步方法。在雙向時(shí)間傳遞過程中,由于雙向信號(hào)在同一通道中同時(shí)相向傳輸,在物理上克服了傳遞鏈路的不對(duì)稱性。根據(jù)不同的傳遞鏈路,可以分為衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞(TWSTFT)、激光雙向時(shí)間傳遞(T2L2)和光纖雙向時(shí)間傳遞(TWOFTT)。近年來原子鐘的精度已經(jīng)達(dá)到10~(-19)量級(jí)�，F(xiàn)有的時(shí)間傳遞技術(shù)已無法滿足10~(-19)量級(jí)的光學(xué)頻率原子鐘間的時(shí)頻信號(hào)傳遞比對(duì)精度要求,亟需研究發(fā)展新的長距離高精度時(shí)間傳遞方法與技術(shù)。21世紀(jì)初科學(xué)家提出的量子時(shí)間同步的概念采用量子光源和量子測量技術(shù),到達(dá)時(shí)間的測量精度可以突破經(jīng)典測量的散粒噪聲極限,從而獲得更高的時(shí)間穩(wěn)定度。本文利用外腔倍頻獲得的高功率780 nm激光泵浦II類相位匹配的PPKTP晶體,得到了高效的1560 nm頻率反關(guān)聯(lián)糾纏源;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合雙向時(shí)間傳遞的優(yōu)點(diǎn)和量子時(shí)間同步的優(yōu)勢,首次提出了基于光纖的雙向量子時(shí)間同步協(xié)議,并且從理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)其進(jìn)行了研究。主要的研究內(nèi)容和研究成果如下:(1)理論研究通信波段1560 nm頻率反關(guān)聯(lián)糾纏源的產(chǎn)生及其量子特性。實(shí)驗(yàn)上采用高功率窄線寬光纖激光器作為激光源,經(jīng)外腔倍頻后產(chǎn)生高功率的780nm激光。780 nm激光單次穿過II類PPKTP晶體最終得到1560 nm頻率反關(guān)聯(lián)糾纏源。糾纏源的單光子計(jì)數(shù)為370 kHz,雙光子符合計(jì)數(shù)22 kHz,頻率不可分性為95±3%,信號(hào)光和閑置光中心波長分別是1560.23±0.03 nm和1560.04±0.03 nm,光譜的半高寬都是3.22±0.01 nm,雙光子符合寬度0.52 nm,糾纏度6.19。該糾纏源的亮度足夠在幾十千米的光纖中傳輸,為后續(xù)開展量子時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)研究提供了光源。(2)理論上提出了雙向量子時(shí)間同步協(xié)議,并在實(shí)驗(yàn)上對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中,我們利用事件計(jì)時(shí)器和數(shù)據(jù)后處理相結(jié)合的方式取代了傳統(tǒng)的時(shí)間符合測量裝置,實(shí)現(xiàn)了異地時(shí)鐘同步演示。并且利用非局域測量的方式證明了頻率反關(guān)聯(lián)糾纏光的非局域色散消除特性。在20 km的光纖盤上進(jìn)行了雙向量子時(shí)間同步實(shí)驗(yàn),時(shí)間同步穩(wěn)定度為0.922±0.004 ps@5 s,0.045±0.038ps@40960 s。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)間同步穩(wěn)定度為0.450±0.001 ps@5 s,0.030±0.014ps@40960 s。通過測量平均時(shí)間差與傳遞光纖長度的關(guān)系,得到了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確度為1.23 ps。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家授時(shí)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN253;O413.1;TN911.7
【部分圖文】：

p，則稱為簡并相位匹配；反之則稱為非簡并相位匹配。如圖1.2所示為不同相位匹配類型的示意圖。圖 1.2 不同類型的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程示意圖Figure 1.2 The diagram of varies types of SPDC progress圖1.2中，不同顏色表示下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的不同波長。圖（a）中，信號(hào)光和閑置光光子均勻分布在一個(gè)下轉(zhuǎn)換環(huán)上，具有相同的偏振，即 Ⅰ 類相位匹配的 SPDC過程；圖（b）和圖（c）中有兩個(gè)下轉(zhuǎn)換環(huán)，偏振相互垂直，信號(hào)光和閑置光光子分別分布在這兩個(gè)環(huán)上，因此具有相互垂直的偏振狀態(tài)，即 Ⅱ 類相位匹配的SPDC 過程。根據(jù) SPDC 產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光的方向與泵浦光的方向是否一致，可以分為共線和非共線相位匹配。圖（c）中，A-B 和 C-D 分別代表一對(duì)信號(hào)光和閑置光光子對(duì)

頻率不可分性率不可分性指的是下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)光和閑置光頻譜的相似度：V dωsdωiA ωs, ωiA ωi, ωs dωsdωiA ωs, ωi. 驗(yàn)上頻率不可分性可以通過測量信號(hào)光和閑置光的頻譜重合度來現(xiàn)起來比較復(fù)雜，需要利用單色儀分別測量信號(hào)光和閑置光的幾小時(shí)到幾十小時(shí)。實(shí)驗(yàn)上通過測量 HOM 干涉可見度來給出頻圖1.4為 HOM 干涉儀的示意圖，HOM 干涉儀可以用來測量雙光 干涉儀的兩臂等長時(shí)，而且兩臂上光子偏振相同時(shí)就會(huì)產(chǎn)生干

裝置可以同時(shí)記錄符合事件次數(shù)和發(fā)生符合事件的時(shí)間間隔。在量子時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間關(guān)聯(lián)特性的測量要求符合測量系統(tǒng)必須記錄信號(hào)之間的時(shí)間差。如圖1.5所示為符合測量的示意圖，兩臺(tái)單光子探測器在設(shè)定的時(shí)間窗口內(nèi)都有信號(hào)輸入時(shí)，符合測量裝置將產(chǎn)生一個(gè)符合計(jì)數(shù)，在理論上解釋即光場的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)。在 t 時(shí)刻，r 處和 t 時(shí)刻，r 處同時(shí)探測到一對(duì)光子的概率正比于光場的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)：G t , r t , r E t , r E t , r E t , r E t , r . …(1.26)E 和 E 分別表示探測器處 t , r 和 t , r 電場算符的正負(fù)分量。對(duì)于SPDC產(chǎn)生的糾纏雙光子態(tài)，G 可以表達(dá)成雙光子波函數(shù) 模的平方，雙光子11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2833003