侯飞雁，权润爱，邰朝阳,3，王盟盟,3，刘涛，张首刚，张同意，董瑞芳



量子时间同步协议研究进展回顾

侯飞雁1,2，权润爱1,2，邰朝阳1,2,3，王盟盟1,2,3，刘涛1,2，张首刚1,2，张同意4，董瑞芳1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710068）

量子时间同步是量子光学、量子信息和时间频率交叉的新领域，理论上可以突破散粒噪声极限，大大提高远程时间同步性能。本文回顾了自21世纪初以来，量子时间同步研究取得的进展，讨论了目前该领域应用的若干协议及其优缺点，并就本团队在量子时间同步方面已开展的理论与实验研究工作进行了介绍。

量子时间同步协议；时间同步

0 引言

随着科学和技术的不断发展，时间测量的精度不断提高，高精度时间频率成为一个国家的战略资源，直接关系着国家安全和社会发展。高精度时间频率的应用离不开高精度时间同步技术。随着高精度时间同步技术在基础科研、导航定位、电力、通信，以及现代国防等方面的广泛应用[1-2]，对时间同步技术的精度要求更高了。因此，近年来，提高时间比对精度的研究成为科学家们关注的重大课题之一。

图1 爱因斯坦时间同步法原理示意图

为了使时间同步的精度突破散粒噪声极限的测量精度限制，21世纪初美国加州理工大学的科学家们提出了量子时间同步的概念[9]。根据量子力学理论，单个脉冲的光子数压缩和多通道间脉冲的频率纠缠会转化为到达时间（TOA）的聚集。在理想的光子数压缩和频率一致纠缠状态下，测量信号脉冲传播时延的准确度将达到自然物理原理所能达到的最根本限制——量子力学的海森堡极限：

对量子时间同步的理论研究进一步揭示了量子时间同步系统可以把量子时间同步协议与量子保密通讯相结合，开发出具备保密功能的量子时间同步协议，从而有效对付窃密者的偷听行为[10]。通过通道间的频率纠缠特性还可以消除传播路径中介质色散效应对时钟同步精度的不利影响[11-12]。量子时间同步技术在高同步精度、安全性、色散消除等方面已经显现出的潜在优势，使其获得了巨大的应用前景。本文回顾了自21世纪初以来，量子时间同步研究取得的进展，讨论了目前量子时间同步应用的若干协议及其优缺点，并就作者所在的团队在量子时间同步研究方面已开展的理论与实验研究工作进行了介绍。

1 量子时间同步国内外研究现状

1.1 量子时间同步国外研究现状

将量子测量概念引入到时间同步的研究始于21世纪初[10]。由于其重要的科学意义和军事应用价值，美国、欧洲等发达国家均陆续展开相关项目的研究。其中，美国把有关量子时间同步的研究作为一个多学科研究项目，被纳入“大学研究倡议计划”中，并由美国军方高级研究发展活动机构（ARDA）、国家侦察办公室（NRO）、军队研究办公室（ARO）等提供专门的经费支持；诸多著名的大学和研究机构参与其中，包括麻省理工学院、路易斯安那州立大学、马里兰大学、罗切斯特大学、德州A&M大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和喷气推进实验室等。

目前，国际上关于远距离量子时间同步协议的研究工作尚属探索研究阶段，但已提出了多种量子时间同步的技术协议，包括量子保密时间同步协议[10]、利用纠缠消除色散效应的时间同步协议（传送带协议）[11-12]、基于符合测量纠缠光子对的单向时间同步协议[13]、基于纠缠光子二阶相干[14]（利用hong-ou-mandel干涉，简称HOM）的时间同步协议[15]等。

有关量子时间同步的原理验证性实验研究也在同步开展。迄今为止，利用自发参量下转换产生的频率纠缠光源：包括频率一致纠缠光源和频率反相关纠缠光源——是进行量子时间同步研究的主要物理资源。目前，利用连续激光源泵浦非线性晶体产生的频率反相关纠缠光子源已被广泛应用到量子时间同步协议的研究中[10-15]。2004年，美国马里兰大学的研究人员利用纠缠光子实现了通过3km长的光纤进行时间同步的原理性实验，时间同步精度达到皮秒量级[13]。2008年，美国波士顿大学的研究人员进一步从实验上验证了啁啾效应应用于周期极化非线性晶体（如计量比钽酸锂（PPSLT）晶体）将大大扩展双光子频谱宽度，并且首次从实验上得到仅7.1 fs的HOM凹陷宽度[16]。 另一方面，研究人员创新性地提出了在脉冲激光源泵浦下，可以利用扩展相位匹配条件产生频率一致纠缠光子源[17-18]，并于2005年在实验上实现了频率一致纠缠光子源的产生[19]。利用该方法产生的频率一致纠缠光源以及基于Mach-Zehnder干涉仪的符合测量技术为我们提供了另一种提高时间同步精度的方法。

此外，针对量子时间同步技术目前的主要缺陷——很难获得大量处于量子纠缠及压缩态的光子，一些应用性探索也相继展开。2007年由奥地利与意大利两国的多个研究机构联合完成了低轨卫星与地面站之间的单光子交换和探测试验，实验验证了利用现有技术实现卫星与地面站之间量子通信的可行性[20]。2010年，最新的研究结果表明，通过干涉参量下转换产生的非经典光场和明亮相干光场可获得大光子数的频率纠缠光子源，为目前量子时间同步研究克服了信号能量微弱的技术难题[21]。

据Nanowerk网站2007年3月的报道，美国军火承包商洛克希德马丁公司已经开始建造基于纠缠光源的量子雷达。随着理论和方案的不断成熟，以及技术的日益发展，可以预计不久的将来，具有更高精度的量子定时定位技术会逐步在空间导航和定位等领域获得广泛应用。

1.2 量子时间同步国内研究现状

经过研究人员长期不懈的努力，近年来，我国的原子钟研究也取得了长足发展，自主研制的传统星载铷原子钟已经试用于我国北斗卫星导航定位系统。虽然，由于经费投入，材料和工艺水平等方面的原因，我国原子钟研究水平与发达国家相比仍有较大差距，但是随着我国国防、经济和科技发展对建设时频体系的需求日益加强，高精度、高稳定度的原子钟技术将飞快发展。因此，如何提高时频同步系统的同步精度作为高精度时频体系的重要组成部分，受到我国科学家们的极大关注。

目前，我国在量子定时定位方面的科研工作基础还比较薄弱。关于量子时间同步方面的具体研究工作进展方面的报道多为介绍性报道[22-26]。2011年西北工业大学的研究小组提出了一种基于MZ干涉仪结构的量子时钟同步方案[27]，该方案不需要传递实体钟或测量脉冲抵达时间，还可抗色散效应的影响。

中国科学院国家授时中心提出了可消色散光纤量子时间同步方案[28]，其理论基础是频率反关联纠缠光子对具有色散消除的量子干涉符合测量的特性，分析了在10 km光纤距离上实现亚皮秒级同步精度的可能性。此外，国家授时中心的中国科学院时间频率基准重点实验室进一步地开展了频率一致纠缠光源的产生和量子干涉测量实验研究。利用飞秒脉冲激光源泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体实现了高效参量下转换双光子态的产生，并获得时间宽度4 ps、可见度52%的HOM量子干涉时间关联。该结果为量子时间同步演示实验奠定了基础[29]。

总体而言，国内与国外在该领域还有较大差距。事实上，这方面的研究在国际上仍属于探索阶段，实际应用中存在的核心技术问题还有待突破，因此开展量子时间同步领域的研究工作具有重要意义。

2 量子时间同步协议简介

目前提出的量子定时定位协议包括：量子保密定位协议[10]、利用纠缠消除色散效应的时间同步协议[11-12]、基于符合测量纠缠光子对的单向时间同步协议[13]、基于纠缠光子二阶相干[14]的时间同步协议[15]、消除色散的光纤量子时间同步协议[28]等。下面对现有量子时间同步协议的实验方案进行介绍。

2.1 量子保密定位协议

量子保密定位协议原理如图2所示。图2中，“Bob”制备频率反关联纠缠双光子态，这种双光子态可以用式（3）表示：

图2 量子保密定位协议原理图

2.2 利用纠缠消除色散效应的时间同步协议（传送带协议）

图3 传送带协议原理图

2.3 基于符合测量纠缠光子对的单向时间同步协议

图4 单向时间同步协议原理图

这种时钟同步协议适用于远距离时钟同步，也可用于远距离授时和定位。

2.4 基于纠缠光子二阶相干量子干涉符合测量的时间同步协议

基于HOM干涉时间同步协议原理如图5所示，待同步的钟A和钟B分别位于A和B两地。两钟的速度一样快，但是有一定钟差。实验室的纠缠光源产生的纠缠光子对中，一个光子发射到达钟A，再被反射回位于实验室的HOM干涉仪，另一个光子经过一段折射率可变的介质到达钟B，再被反射到HOM干涉仪，调节介质的折射率，使HOM干涉仪的两臂平衡，此时两光子同时到达A钟和B钟。

图5 基于HOM干涉时间同步协议原理图

这种协议的同步精度取决于光学延迟的控制精度和HOM干涉仪的二阶量子干涉的精度（小于100 fs）。这种协议在远距离时钟同步中具有实用意义。

2.5 消色散光纤量子时间同步协议

图6 消色散光纤量子时间同步协议原理图

这种时间同步协议的优点是：信号光和闲置光在进行二阶量子干涉时，两光子在光纤中产生的色散效应将会抵消，即光纤色散效应对该协议没有影响。本协议中影响时间同步精度的因素包括：1）频率纠缠光频谱带宽；2）温度波动会对光纤长度和光子在光纤中的群速度有影响。

3 结语

本文主要对量子时间同步的国内外研究进展进行了回顾和总结。对目前提出的几种量子时间同步协议作了简要介绍，对作者所在团队在量子时间同步研究领域取得的进展也作了介绍。通过研究，将为量子时间同步技术在我国远距离时间同步系统中的实际应用提供技术储备。

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Review of progress in quantum synchronization protocols research

HOU Fei-yan1,2,QUAN Run-ai1,2,TAI Zhao-yang1,2,3,WANG Meng-meng1,2,3,LIU Tao1,2,ZHANG Shou-gang1,2, ZHANG Tong-yi4,DONG Rui-fang1,2

（1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710068, China)

Quantum time synchronization is a new cross field of quantum optics, quantum information and time frequency. Theoretically, quantum synchronization will exceed the shot noise limit, improving remote time synchronization performance greatly. This paper reviews the progress made since the beginning of this century in quantum synchronization research, and discusses the proposed quantum synchronization protocols and the advantages and disadvantages of them. The research work in the quantum synchronization, which has been carried out theoretically and experimentally by our team, is also introduced in this paper.

quantum time synchronization protocol; time synchronization

TM935.11＋5

A

1674-0637(2014)02-0065-09

2013-10-05

国家自然科学基金资助项目（11174282）；中国科学院科技创新“交叉与合作团队”资助项目（中国科学院人教字[2012]119号）；中国科学院“西部之光”人才培养计划重点资助项目（中国科学院人教字[2011]180号）；瞬态光学与光子技术国家重点实验室开放基金资助项目；第三届中国卫星导航学术年会青年优秀论文获奖者资助项目（CNSC2012-QY-5）

侯飞雁，女，助理研究员，主要从事量子时间同步研究。