论文部分内容阅读
量子信息学是量子物理与信息科学交叉发展起来的新学科，由于具有经典信息学无法比拟的优势和前景，近年来得到了广泛的关注和发展。量子通信是量子信息学中发展最快的一个方向，有光纤和自由空间两种实现的技术路线。由于光纤损耗大、色散、退极化等因素使得通信距离有限；而自由空间损耗小，退相干效应小，大气层等效厚度只有5公里，如果能突破这个距离，基于卫星方式的全球化量子通信将成为可能，所以自由空间量子通信成了一个新的研究热点。自由空间量子通信实验基于纠缠源，通常采用Ⅱ型参量下转换产生极化纠缠光子对，实验的难点是纠缠光子对的判定，电子学系统的任务就是通过时间上的符合来实现纠缠光子对的判定，其主要性能指标是最小符合时间窗口。在已经完成的13公里自由空间纠缠光子分发实验中，使用了同步光离线符合方案，最小符合时间窗口约为20ns。为了完成20公里量级自由空间量子隐形传态实验，专门设计了一套在线远程光符合的电子学系统，能使最小符合时间窗口达到2ns，可以在很大程度上减小本底光引起的偶然符合，提高符合计数率。在本论文的工作中，完成了组建在线远程光符合的电子学系统所需要的甄别、延时、计数、符合四个通用标准NIM插件的研制。四个插件按产品化设计，可以批量生产，并在量子通信实验中完全取代现有国外进口ORTEC公司的相关产品。其中甄别模块性能指标：四通道，每通道三路NIM输出，输出脉冲宽度3ns～200ns可调，晃动小于35ps。延时模块性能指标：两通道，每通道最大延时量约1us，最小步长约25ps，NIM输出脉冲宽度3ns～200ns可调，晃动小于50ps。计数模块性能指标：八通道，最大计数率170MHz，最小输入脉冲宽度约2ns，输入正负信号皆可。符合模块的性能指标：两通道，每通道可以实现四路信号符合或反符合，符合有NIM输出和TTL输出，符合响应时间小于2ns。为了在计划的20公里量级自由空间量子隐形传态实验中实现实时同步幺正变换，需要对克尔盒进行控制。克尔盒是利用克尔效应，由电压控制的可变波片，其控制电压约800V，驱动克尔盒需要设计专门的高压驱动模块。在本论文工作中设计的高压驱动模块最大重复频率可达100KHz，可以满足实验中将本地贝尔基测量结果传到远端控制克尔盒的计数率要求。在计划的20公里量级自由空间量子隐形传态实验中，为了建立经典信道和完成纠缠光子对的符合判定，需要将本地贝尔基测量结果的时间标记信息和通道编码信息同时传送到远端，我们设计了一套编码和解码系统。编解码采用奇偶校验方式减少自由空间传输引起的误码，采用汉明码纠正自由空间传输引起的一位码元错误。为了检验设计的在线远程光符合的电子学系统可以用于计划的20公里量级自由空间量子隐形传态实验，我们在清华大学校园内完成了800米自由空间量子隐形传态实验，整套在线远程光符合的电子学系统工作完全正常。本论文工作的主要创新之处在于：(1)首次建立了自由空间量子通信实验中在线远程光符合的电子学系统，并采用该系统完成了800米自由空间量子隐形传态实验。(2)首次实现了量子通信实验中贝尔基测量结果的毫微秒量级时间标记信息和通道编码信息同时在自由空间中传送。(3)首次将汉明码引入量子通信实验中的自由空间数据传输，纠正因大气抖动而引起的一位码元错误。(4)首次在自由空间量子通信实验中实现实时同步幺正变换。