量子通信中的精密時間測量技術(shù)研究

陳佐

[摘要]對于量子信息來說，屬于量子物理和信息科學(xué)相聯(lián)系學(xué)科，在量子通信中，最重要的就是保證時間準確，因此，提高通信時間精度就顯得十分重要，本文將從量子通信對精密時間測量技術(shù)需求入手，研究量子通信中精度時間測量方法。

[關(guān)鍵詞]量子通信 精密時間 測量技術(shù)

前言：

在量子通信中最重要的指標包括誤碼率、成碼率以及通信距離，而這種質(zhì)保又會受到時間測量精度的影響，同時，時間測量進度決定著量子通信能否成功，因此，有必要對量子通信中的精密時間測量技術(shù)展開研究。

一、量子通信對時間測量技術(shù)的需求

量子通信對時間測量技術(shù)的需求主要在于以下幾點：

第一，精度要求較高。對于量子通信來說，對單光子到達時間有著較高要求，所以，就對時間精度要求較高，如在量子密鑰分配實驗中，隨著時間精度的提升，誤碼率與成碼率也會升高，在量子糾纏分發(fā)實驗中也是如此。在量子通信實驗中，對于時間精度的需求一般在100ps以上。

第二，死時間小。由于接收端要求盡量多接受可以探測到的有效單光子信號，所以就要保證時間測量電路死時間足夠小，而現(xiàn)在實驗中應(yīng)用單光子探測器所需要的死時間多在40ns左右，無法滿足實際需求，所以應(yīng)盡可能縮短死時間，最好控制在40ns以下。

第三，動態(tài)范圍較大。一般情況下，量子通信的時間多在幾十秒到幾百秒間，這就要保證時間測量電路的動態(tài)范圍足夠大，只有這樣才能滿足實際要求。

第四，多通道。對于量子密鑰分發(fā)實驗來說，需要應(yīng)用四個量子信號光才能完成時間測量，若要實現(xiàn)同步光信號與GPS信號測量，也需要應(yīng)用到時間測量技術(shù)，這就提高對通道的需求，只有多通道才能滿足實際測量需求。

二、量子通信中精密時間測量方法

在精密時間測量中，可以采用的測量方法有兩種，分為為模擬測量法與數(shù)字測量法：

首先，模擬測量法。在模擬測量法中主要應(yīng)用了時間放大技術(shù)、幅度轉(zhuǎn)換技術(shù)、波形數(shù)字化技術(shù)等三種。隨著時間放大技術(shù)的應(yīng)用，有效提升了時間分辨率，并在待測時間間隔中應(yīng)用電流源完成電容充電，并在一定的電流源的作用下完成放電，這樣就能起到放大時間的作用，然后在計數(shù)器的作用下計算出放大時間，進而折算出需要測量的時間間隔情況，盡管該技術(shù)有很多優(yōu)點，但也有一定缺點，如難以縮短死時間。而時間幅度轉(zhuǎn)換技術(shù)來說，就是將時間轉(zhuǎn)換為一定幅度的電壓，并在快速模擬轉(zhuǎn)化器的作用下完成數(shù)字轉(zhuǎn)換，這樣不僅防止了電路噪聲的出現(xiàn)，還有效強化了分辨率，增強了一致性。如在某次實驗中發(fā)現(xiàn)，在時間幅度轉(zhuǎn)換技術(shù)的影響下，時間測量精度可以達到400ps以上。

同樣，波形數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，也有效增強了信號信息輸入速度，最大程度的減少了之間間隔，尤其是在高端示波器的作用下，既有效降低了時間精度抖動時頻率，還強化了存儲深度，如時間分辨率可以提升到12.5ps左右，但在利用該技術(shù)的過程中也要注意它的不足，即所需資金較大，復(fù)雜度較強。

其次，數(shù)字測量法。數(shù)字測量法中擁有游標卡尺技術(shù)、延遲線內(nèi)插技術(shù)。其中游標卡尺主要被用來測量距離，保證距離精度良好，同樣也可以被用來測量時間間隔情況。由于原有的游標卡尺有一定不足，需要應(yīng)用振蕩器，所以，后來也將延遲線應(yīng)用到游標卡尺設(shè)計中，有效彌補了原有設(shè)計中的不足。隨著時間的推移，游標卡尺逐漸成為量子通信中不可缺少的一部分。

而延遲線內(nèi)插技術(shù)則是數(shù)字TDC技術(shù)中的中心技術(shù)，其中融合了很多延遲時間相同的單元，它們共同構(gòu)成了一條鏈，通過采樣待測時間增強傳播長度，有效強化了實踐間隔測量，隨著延遲線內(nèi)插技術(shù)的應(yīng)用，量子通信的精密時間測量能力不斷提升。

通過研究發(fā)現(xiàn)，在數(shù)字電路中，經(jīng)常有很多因素在影響延遲單元的延遲時間，尤其是器件溫度與電壓所帶來的影響較大，針對這種情況，鎖相環(huán)技術(shù)等被應(yīng)用其中，不僅有效強化了延遲時間穩(wěn)定性，還增強了時間分辨率，時間分辨精度至少可以達到25ps。由此可見，這些技術(shù)的應(yīng)用有很多好處。

三、結(jié)束語

通過以上研究得知，隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，人們逐漸提高了量子通信的要求，不僅要保證通信足夠安全，還要強化時間測量精度，針對這種情況，就需要做好分析，聯(lián)系實際情況對模擬測量技術(shù)與數(shù)字測量技術(shù)等多種時間測量技術(shù)展開研究，并找出這些技術(shù)的優(yōu)缺點，有針對性的應(yīng)用與解決，只有這樣才能推進量子通信發(fā)展，以便為量子通信奠定堅實基礎(chǔ)，增強量子通信的可行性與實用性，滿足實際使用需求。