量子通信中的精密時間測量技術(shù)研究.pdf

1、量子信息是量子物理與信息科學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，近年來獲得迅速發(fā)展，其中量子通信是發(fā)展最為成熟的方向之一。與傳統(tǒng)保密通信不同，量子通信的安全性由量子力學(xué)的基本原理保證，從而在本質(zhì)上提升了通信安全。基于衛(wèi)星平臺的量子通信可實(shí)現(xiàn)全球化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
　　 量子通信的信息載體通常為單光子，需要準(zhǔn)確的探測并記錄下每個單光子信號的到達(dá)時間。通信雙方往往相距遙遠(yuǎn)，分別擁有各自的時間基準(zhǔn)，這就需要在通信雙方之間實(shí)現(xiàn)高精度的時間同步。系統(tǒng)時間

2、精度直接影響到量子通信實(shí)驗(yàn)性能指標(biāo)甚至于實(shí)驗(yàn)的成敗，如誤碼率、成碼率、通信距離等，而時間測量精度是決定系統(tǒng)時間精度的關(guān)鍵因素之一。
　　 本論文針對量子通信領(lǐng)域?qū)r間測量的需求，對多種時間測量技術(shù)進(jìn)行了研究，并實(shí)際應(yīng)用于量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)中，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 本論文主要包括以下3項(xiàng)內(nèi)容。
　　 首先，針對近地面的量子通信實(shí)驗(yàn)對時間測量技術(shù)的高要求，研究了基于FPGA的高精度TDC技術(shù)，并成功應(yīng)用于遠(yuǎn)距離

3、量子通信實(shí)驗(yàn)等。采用基于FPGA進(jìn)位鏈的TDC技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了時間分辨50ps(測量精度小于30ps)的時間測量模塊，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求，將多通道TDC與隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生控制、量子光電控制以及數(shù)據(jù)獲取模塊集成在一片F(xiàn)PGA內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高度集成化。配合單光子探測器和量子激光器，研制了一套完整量子通信電子學(xué)系統(tǒng)。該套系統(tǒng)已成功應(yīng)用于基于運(yùn)動轉(zhuǎn)臺的40公里、基于浮空平臺的20公里以及定點(diǎn)96公里（鏈路損耗高達(dá)50dB）自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，從多角度

4、全面驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。在本套系統(tǒng)中，以高精度時間測量電路為核心，結(jié)合同步脈沖光信號和GPS信號，發(fā)展了一套可廣泛適用于遠(yuǎn)距離自由空間量子通信的高精度時間同步系統(tǒng)。
　　 其次，針對星地量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)中的空間載荷系統(tǒng)對時間測量技術(shù)的高可靠性要求，設(shè)計(jì)了一種寬量程高可靠的時間測量電路，可滿足空間量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)需求?；赟RAM工藝的FPGA TDC容易受到單粒子效應(yīng)等輻射損害。為此采用專用集成電路(ASIC)時間測量芯

5、片TDC-GP1以提高可靠性。為了滿足QKD實(shí)驗(yàn)對時間測量電路的寬量程和低死時間要求，采用“粗”“細(xì)”結(jié)合的時間內(nèi)插方法，TDC-GP1芯片作為細(xì)時間測量，粗時間測量則由FPGA時鐘計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，這樣既保持了TDC-GP1的高精度，又?jǐn)U展了時間測量范圍。實(shí)際電路測試表明，時間分辨率Bin Size（也簡稱為LSB）達(dá)到380ps，測量精度小于250ps，死時間為1.15 us，測量范圍為671ms，該技術(shù)已實(shí)際應(yīng)用于某空間量子密鑰分配載荷

6、。
　　 再次，為滿足未來星地遠(yuǎn)距離高損耗信道的糾纏分發(fā)等量子通信實(shí)驗(yàn)對高精度時間測量的要求，對基于FPGA延遲鏈的TDC電路進(jìn)行了深入研究，提出了一種新型的多鏈多次平均TDC結(jié)構(gòu)，具有高精度、死時間小、資源占用量少等優(yōu)點(diǎn)，還可以靈活實(shí)現(xiàn)死時間和資源占用量的平衡轉(zhuǎn)換。在同時使用8條鏈，每條鏈連續(xù)測量4次時，時間精度RMS高達(dá)7.4ps，時間分辨Bin Size可達(dá)1ps，同時死時間僅為42ns。通過理論分析、模型仿真以及實(shí)際電路

7、測試，對多鏈多次平均TDC的時間性能與鏈數(shù)目M和連續(xù)測量次數(shù)N的關(guān)系進(jìn)行了深入探討，對實(shí)際電路中優(yōu)化性能給出了指導(dǎo)性意見。此外，本論文還實(shí)現(xiàn)了一種基于FGA的改進(jìn)型快速胖樹形編碼電路，可完成超寬非溫度碼到二進(jìn)制碼的快速轉(zhuǎn)換。該編碼電路可廣泛應(yīng)用于基于延遲鏈的FPGA TDC電路中。
　　 本論文主要創(chuàng)新之處在于:1.將基于FPGA的高精度TDC技術(shù)成功應(yīng)用于量子通信實(shí)驗(yàn)中，提高了系統(tǒng)集成度和靈活性，降低了成本?；谠摳呔葧r間測

8、量電路，發(fā)展了一套基于光信號的高精度時間同步技術(shù)，采用同步光信號和GPS信號。該同步技術(shù)可廣泛應(yīng)用于自由空間量子通信中，實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)兩地或多地之間的高精度時間同步。2.基于TDC-GP1芯片和FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高可靠性的時間測量電路，實(shí)際應(yīng)用于某星地量子密鑰分配空間載荷。3.提出了一種新型的多鏈多次平均結(jié)構(gòu)的TDC技術(shù)，該技術(shù)可進(jìn)一步提高TDC性能，可實(shí)現(xiàn)時間分辨Bin Size和時間精度RMS均小于10ps，還可以靈活實(shí)現(xiàn)死時間和資源