基于量子纠缠光的导航测距系统及其实现方法
【专利摘要】本发明提供一种基于量子纠缠光的导航测距系统，其包括量子纠缠光源模块、单光子检测器、数据采集模块及数据处理模块，所述量子纠缠光源模块用于产生纠缠双光子对，所述纠缠双光子对分别进入测试光路及参考光路，所述数据采集模块用于分别获取所述测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲，并分别记录测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲的到达时间；所述数据处理模块解析所述数据采集模块所采集的数据，以获得所述测试光路及所述参考光路的时间序列标签，利用符合算法根据所述时间序列标签计算待测距离。基于量子纠缠光二阶关联特性和相应的数据处理算法，此系统可实现高精度的距离测量。
【专利说明】基于量子纠缠光的导航测距系统及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明设计量子导航领域技术，具体涉及一种基于量子纠缠光的导航测距系统及其实现方法。
【背景技术】
[0002]导航测距技术随着人类政治、经济和军事活动的需求而产生，随着社会经济的发展和人类科学的进步，人们对导航测距技术的需求日益趋于长距离化、高精度化。
[0003]传统测距技术大多利用激光器作为光源进行测距。其中，根据激光器的工作方式大致可分为连续激光器和脉冲激光器，根据产生激光不同方式可分为连续相位式激光测距、红外测距及脉冲式激光测距。传统激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上数字电路和光电检测设备的发展，可达到在公里级别时达到分米测距精度。然而，更长距离、更高精度的导航测距技术仍然是人们的研究目标。
[0004]量子纠缠(quantum entanglement)是由薛定愕和爱因斯坦等在质疑量子力学的完备性时提出的。随着量子信息学日新月异的发展，以量子纠缠为基础的各种量子技术迅速发展起来，且应用领域趋于广泛化。量子力学中的测不准原理决定了任何测量都存在海森堡极限(Hiesenberg limit),然而,传统的测量通常不能够达到这个极限,只能达到或接近一些传统的极限，例如散粒噪声极限。当人们将量子纠缠引入测量系统后，发现系统的测量精确度可以超越这些传统的测量极限，接近甚至达到海森堡极限。因此，在量子理论和纠缠光学不断发展的今天，研究并实现量子导航测距技术是非常必要的。
[0005]利用光干涉原理对物理量进行测量是一种重要的测量方法。被测量的微小变化会引起光场相应的变化，导致干涉结果发生显著变化，从而实现对物理量的精密测量。早在1987年就有人在量子测距领域进行研究，Mandela研究小组就利用HOM干涉仪完成了对双光子纠缠源微小距离的二阶关联测量，观察到了明显的反聚束效应，经过关联算法可得到两路纠缠光子经过不同路径传播的时间差信息，从而能够测量两路传播路径的路程差，在近距离试验中其测量精度可达到微米级别。2001年，美国MIT的研究人员在理论上对量子关联测距原理进行了完善和提高。Alice端发送M个脉冲数据给参考点Bob处的探测器，并通过处理测量到的平均到达时间来得到两者间的距离。他们从理论上证明了:当发送M组脉冲时，并且这M组脉冲相互之间具有频率纠缠特性，与以相同带宽条件下的非频率纠
缠的情况相比，在理论上可以使得精度提高此外，如果可以制备出光子数压缩的量子
脉冲，那么通过使用严格包含N个光子的脉冲，测量精度可以进一步获得提升#。相比于
经典相干态下光子平均数为N的脉冲，频率纠缠态与粒子压缩态两种特性在一组脉冲中如
果能够同时存在，所以在理论上就能得到的精度提升。同时，研究人员根据在有损信
道条件下测量精度急剧下降的问题，提出了多结构分组纠缠的测量方法。但是现今技术条件下还达不到上述的实验要求，多方纠缠源仍在理论阶段，粒子压缩态的制备也没有完全成熟。在现阶段应当采用泵浦光进过参量下转换产生双光子纠缠源，使其信号光和闲置光满足频率纠缠关系:ws+Wi = W。。以上理论所述,可得到时域二阶关联特性。2011年，中国空军工程大学的研究小组深入分析了多结构分组纠缠的理论基础，给出了在一定信道传输效率的条件下，多种分组结构，不同纠缠光子数与总体测量精度增益之间的多个仿真结果，同时也为我们的量子关联测距提供了进一步的理论指导。双光子纠缠源是目前研究最多最成熟的一种制备纠缠源技术，其主要机制是晶体的非线性效应。纠缠的产生可分为:基于二阶非线性效应的BBO和KDP等晶体或者PPLN和PPKTP等准相位匹配晶体的自发参量下准换；基于光参量下转(OPA);基于三阶非线性效应的色散位移光纤或者光子晶体中的四波混频效应。
[0006]在各国研究人员的不断努力下，长距离量子纠缠源测距方案的核心技术已经初步具备，主要包括两个方面:量子纠缠源产生系统，探测纠缠双光子的符合计数系统。然而，现有技术中的量子纠缠源测距实验方案的测量精度及可测距离还有待进一步提高。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种全新的长距离高精度量子纠缠导航测距系统，以实现更长距离、更高精度的量子纠缠导航测距。
[0008]本发明的另一发明目的在于提供一种长距离高精度量子纠缠导航测距系统的实现方法。
[0009]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:一种基于量子纠缠光的导航测距系统，其包括量子纠缠光源模块、单光子检测器、数据采集模块及数据处理模块，所述量子纠缠光源模块用于产生纠缠双光子对，所述纠缠双光子对分别进入测试光路及参考光路，所述测试光路连接未知长度的测试光纤，所述参考光路连接已知长度的参考光纤，所述数据采集模块用于分别获取所述测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲，并分别记录测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲的到达时间；所述数据处理模块解析所述数据采集模块所采集的数据，以获得所述测试光路及所述参考光路的时间序列标签，利用符合算法根据所述时间序列标签计算出函数样本点，并根据函数样本点拟合估算出曲线峰值位置的变化量，以获取待测距离。
[0010]优选地，所述纠缠光源模块包括激光器、周期性极化晶体、偏振分束器、滤波片、四分一波片、二分之一波片、光子稱合器以及长距离光纤。
[0011]优选地，所述纠缠双光子对经带有尾纤的耦合器后分别进入所述测试光路及参考光路。
[0012]优选地，所述数据采集模块包括高速采集电路，其所记录的数据为二进制格式的数据信息。
[0013]优选地，所述量子纠缠光源模块采用双光子纠缠源，其产生一束时域纠缠的光子对，所述光子对包括一信号光及一闲置光。
[0014]相应地，一种基于量子纠缠光的导航测距系统的实现方法，所述导航测距系统包括量子纠缠光源模块、单光子检测器、数据采集模块及数据处理模块，所述方法包括如下步骤:
[0015]S1、获取所述测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲，并分别记录测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲的到达时间；[0016]S2、对获取到的数据包进行解压，从所述测试光路、参考光路中选择一路的时间标签进行最小时间平移，并与另一路作比对并计数；
[0017]S3、重复步骤S2，以得到系统二阶关联特性离散分布函数；
[0018]S4、调用曲线拟合函数以得到峰值位置；
[0019]S5、根据光纤的群折射率计算得到测量距离和精度区间。
[0020]其中，步骤S4得到了时域精度t，可根据光纤传输特性和群折射率ng，进行转换到
测量精
【权利要求】
1.一种基于量子纠缠光的导航测距系统，其特征在于，所述导航测距系统包括量子纠缠光源模块、单光子检测器、数据采集模块及数据处理模块，所述量子纠缠光源模块用于产生纠缠双光子对，所述纠缠双光子对分别进入测试光路及参考光路，所述测试光路连接未知长度的测试光纤，所述参考光路连接已知长度的参考光纤，所述数据采集模块用于分别获取所述测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲，并分别记录测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲的到达时间；所述数据处理模块解析所述数据采集模块所采集的数据，以获得所述测试光路及所述参考光路的时间序列标签，利用符合算法根据所述时间序列标签计算出函数样本点，并根据函数样本点拟合估算出曲线峰值位置的变化量，以获取待测距离。
2.根据权利要求1所述的基于量子纠缠光的导航测距系统，其特征在于，所述纠缠光源模块包括激光器、周期性极化晶体、偏振分束器、滤波片、四分一波片、二分之一波片、光子耦合器以及长距离光纤。
3.根据权利要求1所述的基于量子纠缠光的导航测距系统，其特征在于，所述纠缠双光子对经带有尾纤的耦合器后分别进入所述测试光路及参考光路。
4.根据权利要求1所述的基于量子纠缠光的导航测距系统，其特征在于，所述数据采集模块包括高速采集电路，其所记录的数据为二进制格式的数据信息。
5.根据权利要求1所述的基于量子纠缠光的导航测距系统，其特征在于，所述量子纠缠光源模块采用双光子纠缠源，其产生一束时域纠缠的光子对，所述光子对包括一信号光及一闲置光。
6.一种基于量子纠缠光的导航测距系统的实现方法，其特征在于，所述导航测距系统包括量子纠缠光源模块、单光子检测器、数据采集模块及数据处理模块，所述方法包括如下步骤: 51、获取所述测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲，并分别记录测试光路、参考光路中单光子检测器产生的时域计数脉冲的到达时间； 52、对获取到的数据包进行解压，从所述测试光路、参考光路中选择一路的时间标签进行最小时间平移，并与另一路作比对并计数； 53、重复步骤S2，以得到系统二阶关联特性离散分布函数； 54、调用曲线拟合函数以得到峰值位置； 55、根据光纤的群折射率计算得到测量距离和精度区间。
7.根据权利要求6所述的基于量子纠缠光的导航测距系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括两次测量步骤: 第一次测量步骤是在光源耦合器端进行，其中，参考光路的光纤为I = lm，模拟测试光路的光纤长度为I = lm，得到模拟条件下的测量结果及精度； 第二次测量步骤在连接光源的测试光路上增加实际光纤，用来代替光源和待测目标之间的距离，所述实际光纤的长度为L，分别进行测距解算算法以得出相对精确距离，计算得精确相对距离AL = L-1。
【文档编号】G01S11/12GK103675801SQ201310632619
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】肖俊俊, 韩笑纯, 李钦政, 方晨, 曾贵华 申请人:上海交通大学