基于FPGA的星上量子實驗控制單元的研究與實現(xiàn).pdf

1、量子信息學近年來取得了巨大的發(fā)展，它是經(jīng)典信息學和量子力學相結(jié)合的學科。相比于經(jīng)典信息學其擁有更大的優(yōu)勢與前景，因而在各個領域被廣泛的關注和研究。
　　在量子信息學中，量子通信是發(fā)展最成熟、最接近實用化的通信方式。目前為止，基于光纖的量子通信已經(jīng)相對比較成熟并且應用于實際中。但是由于信號于光纖中存在固有衰減，基于光纖的量子通信很難做到遠距離量子通信，并且其受地理因素影響較大。因此為實現(xiàn)全球化的量子密鑰分發(fā)、完成遠距離糾纏分發(fā)以及隱

2、形傳態(tài)實驗，實現(xiàn)星地量子通信是十分有必要的。
　　星地量子通信中星上控制單元是完成實驗的關鍵部分之一，因此對其研究與實現(xiàn)是十分有意義的?；贔PGA的星上量子實驗控制單元是本論文研究的主要內(nèi)容。在量子通信過程中，量子實驗控制單元的主要任務是量子信號的發(fā)送控制、量子信號的時間探測以及相關科學數(shù)據(jù)的傳輸存儲等。其中量子信號的發(fā)送控制以及量子信號的時間探測是本課題的研究重點和創(chuàng)新點。量子通信中采用弱光作為信息載體，因此在大衰減的星地量子

3、信道中，接收端探測到信號個數(shù)較少，這將直接影響最終成碼。為提高量子通信的成碼率，必須增加單位時間內(nèi)信號探測的個數(shù)，故提高發(fā)射頻率是量子通信的關鍵，在本課題中我們利用循環(huán)調(diào)制脈沖的方法提高發(fā)射頻率，實現(xiàn)了200 MHz的量子發(fā)射頻率。為探測高頻的發(fā)射信號并減小噪聲產(chǎn)生的影響，我們采用 FPGA進位鏈實現(xiàn)高精度的時間測量，測量時間精度達到了50ps。量子實驗控制單元由五個模塊組成，分別是高速脈沖調(diào)制模塊，主要完成量子信號的發(fā)送控制；時間測量

4、模塊，主要完成量子信號的時間測量；數(shù)據(jù)總線控制模塊和SDRAM控制模塊，主要完成科學數(shù)據(jù)的傳輸與存儲；以及完成各個模塊間的控制調(diào)度功能的指令解析與系統(tǒng)控制模塊。利用量子實驗控制單元我們分別進行量子密鑰分發(fā)實驗，量子糾纏分發(fā)實驗和量子隱形傳態(tài)實驗。在模擬衰減大于40dB的情況下成功完成了量子密鑰分發(fā)實驗，成碼率1.8kbps，誤碼率2.8％。在模擬衰減為76dB的情況下實現(xiàn)了雙向量子糾纏分發(fā)實驗，觀測到了Bell不等式破缺，Bell不等式