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?；谛l(wèi)星平臺的量子通信可實現(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時間。通信雙方往往相距遙遠，分別擁有各自的時間基準(zhǔn)，這就需要在通信雙方之間實現(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驗性能指標(biāo)甚至于實驗的成敗，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)進行了研究，并實際應(yīng)用于量子密鑰分配實驗中，取得了良好的實驗結(jié)果。
　　 本論文主要包括以下3項內(nèi)容。
　　 首先，針對近地面的量子通信實驗對時間測量技術(shù)的高要求，研究了基于FPGA的高精度TDC技術(shù)，并成功應(yīng)用于遠距離

3、量子通信實驗等。采用基于FPGA進位鏈的TDC技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了時間分辨50ps(測量精度小于30ps)的時間測量模塊，并結(jié)合實驗需求，將多通道TDC與隨機數(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)用于基于運動轉(zhuǎn)臺的40公里、基于浮空平臺的20公里以及定點96公里（鏈路損耗高達50dB）自由空間量子密鑰分發(fā)實驗，從多角度

4、全面驗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驗中的空間載荷系統(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驗需求?；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實驗對時間測量電路的寬量程和低死時間要求，采用“粗”“細”結(jié)合的時間內(nèi)插方法，TDC-GP1芯片作為細時間測量，粗時間測量則由FPGA時鐘計數(shù)器實現(xiàn)，這樣既保持了TDC-GP1的高精度，又?jǐn)U展了時間測量范圍。實際電路測試表明，時間分辨率Bin Size（也簡稱為LSB）達到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，為滿足未來星地遠距離高損耗信道的糾纏分發(fā)等量子通信實驗對高精度時間測量的要求，對基于FPGA延遲鏈的TDC電路進行了深入研究，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，還可以靈活實現(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7.4ps，時間分辨Bin Size可達1ps，同時死時間僅為42ns。通過理論分析、模型仿真以及實際電路

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)系進行了深入探討，對實際電路中優(yōu)化性能給出了指導(dǎo)性意見。此外，本論文還實現(xiàn)了一種基于FGA的改進型快速胖樹形編碼電路，可完成超寬非溫度碼到二進制碼的快速轉(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)用于量子通信實驗中，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，實現(xiàn)遙遠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)計實現(xiàn)了一種高可靠性的時間測量電路，實際應(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)可進一步提高TDC性能，可實現(xiàn)時間分辨Bin Size和時間精度RMS均小于10ps，還可以靈活實現(xiàn)死時間和資源