一种可扩展的级联量子时间同步系统技术方案

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种可扩展的级联量子时间同步系统


[0001]本专利技术属于时间频率
，具体涉及一种可扩展的级联量子时间同步系统
。

技术介绍

[0002]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
。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种可扩展的级联量子时间同步系统
。
本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0004]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，
[0005]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
；
[0006]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；
[0007]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
；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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
。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述本地时间频率源2，包括原子钟或精密晶振
。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，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
。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，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：
[0016]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
。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，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：
[0018]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
。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，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
。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，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。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]本专利技术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，本专利技术在每个级联站点，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
[0023]图1为本专利技术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；
[0024]图2为本专利技术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；
[0025]附图标记：
[0026]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
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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)、
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

【专利技术属性】
技术研发人员：权润爱，董瑞芳，洪辉博，刘涛，张首刚，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：