基于二阶量子干涉的远程光纤量子时间同步应用关键技术研究

High-precision clock synchronization plays an important role in the area of fundamental scientific research and real applications. The clock synchronization technology determines the highest achievable precision of the time and frequency application. Quantum clock synchronization protocol based on second-order interferometer is highly operable and convenient to be applied, herein is of significance in practical long-distance clock synchronizing system. On the basis of our previous 4km clock synchronizing system, this project intends to carry out researches on the main factors restricting the experimental realization of quantum clock synchronization in remote fibers, the plan includes: theoretical and experimental investigation of quantum correlation properties and second-order correlation timing jitter of frequency-entangled biphotons in long-distant fiber propagation; via proper operation of biphoton spectra, optimizing the algorithm of second-order correlation based on event timer, stabilization of fiber links based on the Mach-Zehnder interferometer to accomplish the fiber-path balance employing the second-order quantum coherence; in 10km fibers, performing proof-of-principle quantum clock synchronization based on second-order quantum coherence in experiment, aiming at sub-picosecond synchronizing accuracy. The implementation of this project will make great contribution to quantum clock synchronization in the practical application researches.

高精度时间同步技术在基础科研以及实际应用中都有着重要作用，时间同步技术决定了时间频率应用的最高精度。基于纠缠光子二阶干涉测量的量子时钟同步协议可操作性强，易于实现，理想条件下同步精度可达到飞秒量级，在远距离时钟同步中具有重要的实用意义。本项目拟在现有4km量子时间同步结果的研究基础上，针对制约基于二阶量子干涉的远程光纤量子时间同步实验实现的关键问题开展技术攻关，理论与实验研究远程光纤传输对频率纠缠源的量子关联特性及双光子时延测量的影响，并通过操控双光子频谱和基于事件计时器优化二阶关联算法提高二阶关联测量精度，利用马赫增德干涉仪补偿光纤长度漂移，完成基于二阶量子干涉的传输路径平衡锁定，最终实现10km光纤距离的量子时间同步原理验证演示实验系统，精度达到亚皮秒量级，为后续进一步增加时间同步系统距离，实现实地的量子时间同步技术奠定基础。

本项目围绕基于二阶量子干涉的远程光纤量子时间同步的实现关键技术展开研究，主要研究频率纠缠源的远程光纤传输特性、非定域二阶关联算法的设计及优化、远距离Hong Ou Mandel 干涉的实现及应用于基于Hong Ou Mandel二阶量子干涉的时间同步实验演示中，主要的成果有：（1）首次非定域地实验验证了频率纠缠源的非定域色散消除特性，为开展连续变量量子非定域性验证及应用于量子信息技术的研究奠定了基础；（2）首次建立了非理想频率纠缠源的非定域色散消除模型，为频率纠缠源在实际量子信息、量子测量应用的提供有力指导；（3） 设计并实现了基于事件计时器的双光子非定域二阶关联测量（即符合测量），计算精度达到亚皮秒量级，为纠缠源的非定域测量提供必要的测量手段；（4）提出了一种基于非定域波长-时间映射的双光子联合频谱测量方法，基于频率纠缠光源的色散特性和符合测量手段，实现对单光子和双光子频谱的测量，测量分辨率为0.09nm，为纠缠光子频谱关联特性的测量提供一种更为有效的工具；（5）克服了频率纠缠光源在20km光纤距离上漂移大、二阶量子干涉测量难的困难，成功实现了往返20km光纤的HOM干涉测量，在此基础上，实现了20km光纤距离的基于HOM二阶量子干涉的时间同步实验演示，时间同步稳定度达到72fs，准确度50.5ps，为更远距离基于二阶量子干涉的亚皮秒级时间同步研究奠定了基础。