基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)，其包括量子糾纏光源模塊、單光子檢測器、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，所述量子糾纏光源模塊用于產(chǎn)生糾纏雙光子對(duì)，所述糾纏雙光子對(duì)分別進(jìn)入測試光路及參考光路，所述數(shù)據(jù)采集模塊用于分別獲取所述測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖，并分別記錄測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖的到達(dá)時(shí)間；所述數(shù)據(jù)處理模塊解析所述數(shù)據(jù)采集模塊所采集的數(shù)據(jù)，以獲得所述測試光路及所述參考光路的時(shí)間序列標(biāo)簽，利用符合算法根據(jù)所述時(shí)間序列標(biāo)簽計(jì)算待測距離?；诹孔蛹m纏光二階關(guān)聯(lián)特性和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度的距離測量。
【專利說明】基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計(jì)量子導(dǎo)航領(lǐng)域技術(shù)，具體涉及一種基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]導(dǎo)航測距技術(shù)隨著人類政治、經(jīng)濟(jì)和軍事活動(dòng)的需求而產(chǎn)生，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類科學(xué)的進(jìn)步，人們對(duì)導(dǎo)航測距技術(shù)的需求日益趨于長距離化、高精度化。
[0003]傳統(tǒng)測距技術(shù)大多利用激光器作為光源進(jìn)行測距。其中，根據(jù)激光器的工作方式大致可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，根據(jù)產(chǎn)生激光不同方式可分為連續(xù)相位式激光測距、紅外測距及脈沖式激光測距。傳統(tǒng)激光測距儀由于激光的單色性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，加上數(shù)字電路和光電檢測設(shè)備的發(fā)展，可達(dá)到在公里級(jí)別時(shí)達(dá)到分米測距精度。然而，更長距離、更高精度的導(dǎo)航測距技術(shù)仍然是人們的研究目標(biāo)。
[0004]量子糾纏(quantum entanglement)是由薛定愕和愛因斯坦等在質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性時(shí)提出的。隨著量子信息學(xué)日新月異的發(fā)展，以量子糾纏為基礎(chǔ)的各種量子技術(shù)迅速發(fā)展起來，且應(yīng)用領(lǐng)域趨于廣泛化。量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理決定了任何測量都存在海森堡極限(Hiesenberg limit),然而,傳統(tǒng)的測量通常不能夠達(dá)到這個(gè)極限,只能達(dá)到或接近一些傳統(tǒng)的極限，例如散粒噪聲極限。當(dāng)人們將量子糾纏引入測量系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的測量精確度可以超越這些傳統(tǒng)的測量極限，接近甚至達(dá)到海森堡極限。因此，在量子理論和糾纏光學(xué)不斷發(fā)展的今天，研究并實(shí)現(xiàn)量子導(dǎo)航測距技術(shù)是非常必要的。
[0005]利用光干涉原理對(duì)物理量進(jìn)行測量是一種重要的測量方法。被測量的微小變化會(huì)引起光場相應(yīng)的變化，導(dǎo)致干涉結(jié)果發(fā)生顯著變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的精密測量。早在1987年就有人在量子測距領(lǐng)域進(jìn)行研究，Mandela研究小組就利用HOM干涉儀完成了對(duì)雙光子糾纏源微小距離的二階關(guān)聯(lián)測量，觀察到了明顯的反聚束效應(yīng)，經(jīng)過關(guān)聯(lián)算法可得到兩路糾纏光子經(jīng)過不同路徑傳播的時(shí)間差信息，從而能夠測量兩路傳播路徑的路程差，在近距離試驗(yàn)中其測量精度可達(dá)到微米級(jí)別。2001年，美國MIT的研究人員在理論上對(duì)量子關(guān)聯(lián)測距原理進(jìn)行了完善和提高。Alice端發(fā)送M個(gè)脈沖數(shù)據(jù)給參考點(diǎn)Bob處的探測器，并通過處理測量到的平均到達(dá)時(shí)間來得到兩者間的距離。他們從理論上證明了:當(dāng)發(fā)送M組脈沖時(shí)，并且這M組脈沖相互之間具有頻率糾纏特性，與以相同帶寬條件下的非頻率糾
纏的情況相比，在理論上可以使得精度提高此外，如果可以制備出光子數(shù)壓縮的量子
脈沖，那么通過使用嚴(yán)格包含N個(gè)光子的脈沖，測量精度可以進(jìn)一步獲得提升#。相比于
經(jīng)典相干態(tài)下光子平均數(shù)為N的脈沖，頻率糾纏態(tài)與粒子壓縮態(tài)兩種特性在一組脈沖中如
果能夠同時(shí)存在，所以在理論上就能得到的精度提升。同時(shí)，研究人員根據(jù)在有損信
道條件下測量精度急劇下降的問題，提出了多結(jié)構(gòu)分組糾纏的測量方法。但是現(xiàn)今技術(shù)條件下還達(dá)不到上述的實(shí)驗(yàn)要求，多方糾纏源仍在理論階段，粒子壓縮態(tài)的制備也沒有完全成熟。在現(xiàn)階段應(yīng)當(dāng)采用泵浦光進(jìn)過參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生雙光子糾纏源，使其信號(hào)光和閑置光滿足頻率糾纏關(guān)系:ws+Wi = W。。以上理論所述,可得到時(shí)域二階關(guān)聯(lián)特性。2011年，中國空軍工程大學(xué)的研究小組深入分析了多結(jié)構(gòu)分組糾纏的理論基礎(chǔ)，給出了在一定信道傳輸效率的條件下，多種分組結(jié)構(gòu)，不同糾纏光子數(shù)與總體測量精度增益之間的多個(gè)仿真結(jié)果，同時(shí)也為我們的量子關(guān)聯(lián)測距提供了進(jìn)一步的理論指導(dǎo)。雙光子糾纏源是目前研究最多最成熟的一種制備糾纏源技術(shù)，其主要機(jī)制是晶體的非線性效應(yīng)。糾纏的產(chǎn)生可分為:基于二階非線性效應(yīng)的BBO和KDP等晶體或者PPLN和PPKTP等準(zhǔn)相位匹配晶體的自發(fā)參量下準(zhǔn)換；基于光參量下轉(zhuǎn)(OPA);基于三階非線性效應(yīng)的色散位移光纖或者光子晶體中的四波混頻效應(yīng)。
[0006]在各國研究人員的不斷努力下，長距離量子糾纏源測距方案的核心技術(shù)已經(jīng)初步具備，主要包括兩個(gè)方面:量子糾纏源產(chǎn)生系統(tǒng)，探測糾纏雙光子的符合計(jì)數(shù)系統(tǒng)。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的量子糾纏源測距實(shí)驗(yàn)方案的測量精度及可測距離還有待進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種全新的長距離高精度量子糾纏導(dǎo)航測距系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更長距離、更高精度的量子糾纏導(dǎo)航測距。
[0008]本發(fā)明的另一發(fā)明目的在于提供一種長距離高精度量子糾纏導(dǎo)航測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)，其包括量子糾纏光源模塊、單光子檢測器、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，所述量子糾纏光源模塊用于產(chǎn)生糾纏雙光子對(duì)，所述糾纏雙光子對(duì)分別進(jìn)入測試光路及參考光路，所述測試光路連接未知長度的測試光纖，所述參考光路連接已知長度的參考光纖，所述數(shù)據(jù)采集模塊用于分別獲取所述測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖，并分別記錄測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖的到達(dá)時(shí)間；所述數(shù)據(jù)處理模塊解析所述數(shù)據(jù)采集模塊所采集的數(shù)據(jù)，以獲得所述測試光路及所述參考光路的時(shí)間序列標(biāo)簽，利用符合算法根據(jù)所述時(shí)間序列標(biāo)簽計(jì)算出函數(shù)樣本點(diǎn)，并根據(jù)函數(shù)樣本點(diǎn)擬合估算出曲線峰值位置的變化量，以獲取待測距離。
[0010]優(yōu)選地，所述糾纏光源模塊包括激光器、周期性極化晶體、偏振分束器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、光子稱合器以及長距離光纖。
[0011]優(yōu)選地，所述糾纏雙光子對(duì)經(jīng)帶有尾纖的耦合器后分別進(jìn)入所述測試光路及參考光路。
[0012]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括高速采集電路，其所記錄的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式的數(shù)據(jù)信息。
[0013]優(yōu)選地，所述量子糾纏光源模塊采用雙光子糾纏源，其產(chǎn)生一束時(shí)域糾纏的光子對(duì)，所述光子對(duì)包括一信號(hào)光及一閑置光。
[0014]相應(yīng)地，一種基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，所述導(dǎo)航測距系統(tǒng)包括量子糾纏光源模塊、單光子檢測器、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，所述方法包括如下步驟:
[0015]S1、獲取所述測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖，并分別記錄測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖的到達(dá)時(shí)間；[0016]S2、對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解壓，從所述測試光路、參考光路中選擇一路的時(shí)間標(biāo)簽進(jìn)行最小時(shí)間平移，并與另一路作比對(duì)并計(jì)數(shù)；
[0017]S3、重復(fù)步驟S2，以得到系統(tǒng)二階關(guān)聯(lián)特性離散分布函數(shù)；
[0018]S4、調(diào)用曲線擬合函數(shù)以得到峰值位置；
[0019]S5、根據(jù)光纖的群折射率計(jì)算得到測量距離和精度區(qū)間。
[0020]其中，步驟S4得到了時(shí)域精度t，可根據(jù)光纖傳輸特性和群折射率ng，進(jìn)行轉(zhuǎn)換到
測量精
【權(quán)利要求】
1.一種基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)航測距系統(tǒng)包括量子糾纏光源模塊、單光子檢測器、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，所述量子糾纏光源模塊用于產(chǎn)生糾纏雙光子對(duì)，所述糾纏雙光子對(duì)分別進(jìn)入測試光路及參考光路，所述測試光路連接未知長度的測試光纖，所述參考光路連接已知長度的參考光纖，所述數(shù)據(jù)采集模塊用于分別獲取所述測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖，并分別記錄測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖的到達(dá)時(shí)間；所述數(shù)據(jù)處理模塊解析所述數(shù)據(jù)采集模塊所采集的數(shù)據(jù)，以獲得所述測試光路及所述參考光路的時(shí)間序列標(biāo)簽，利用符合算法根據(jù)所述時(shí)間序列標(biāo)簽計(jì)算出函數(shù)樣本點(diǎn)，并根據(jù)函數(shù)樣本點(diǎn)擬合估算出曲線峰值位置的變化量，以獲取待測距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)，其特征在于，所述糾纏光源模塊包括激光器、周期性極化晶體、偏振分束器、濾波片、四分一波片、二分之一波片、光子耦合器以及長距離光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)，其特征在于，所述糾纏雙光子對(duì)經(jīng)帶有尾纖的耦合器后分別進(jìn)入所述測試光路及參考光路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括高速采集電路，其所記錄的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式的數(shù)據(jù)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)，其特征在于，所述量子糾纏光源模塊采用雙光子糾纏源，其產(chǎn)生一束時(shí)域糾纏的光子對(duì)，所述光子對(duì)包括一信號(hào)光及一閑置光。
6.一種基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述導(dǎo)航測距系統(tǒng)包括量子糾纏光源模塊、單光子檢測器、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，所述方法包括如下步驟: 51、獲取所述測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖，并分別記錄測試光路、參考光路中單光子檢測器產(chǎn)生的時(shí)域計(jì)數(shù)脈沖的到達(dá)時(shí)間； 52、對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解壓，從所述測試光路、參考光路中選擇一路的時(shí)間標(biāo)簽進(jìn)行最小時(shí)間平移，并與另一路作比對(duì)并計(jì)數(shù)； 53、重復(fù)步驟S2，以得到系統(tǒng)二階關(guān)聯(lián)特性離散分布函數(shù)； 54、調(diào)用曲線擬合函數(shù)以得到峰值位置； 55、根據(jù)光纖的群折射率計(jì)算得到測量距離和精度區(qū)間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于量子糾纏光的導(dǎo)航測距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述方法包括兩次測量步驟: 第一次測量步驟是在光源耦合器端進(jìn)行，其中，參考光路的光纖為I = lm，模擬測試光路的光纖長度為I = lm，得到模擬條件下的測量結(jié)果及精度； 第二次測量步驟在連接光源的測試光路上增加實(shí)際光纖，用來代替光源和待測目標(biāo)之間的距離，所述實(shí)際光纖的長度為L，分別進(jìn)行測距解算算法以得出相對(duì)精確距離，計(jì)算得精確相對(duì)距離AL = L-1。
【文檔編號(hào)】G01S11/12GK103675801SQ201310632619
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】肖俊俊, 韓笑純, 李欽政, 方晨, 曾貴華 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)