基于頻率糾纏源的高精度時間同步技術(shù)進展

魏亞旭，李建勝，李廣云

基于頻率糾纏源的高精度時間同步技術(shù)進展

魏亞旭，李建勝，李廣云

（信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450001）

為了進一步提高測繪導航領(lǐng)域的時間同步精度，研究論述可以突破標準量子極限的量子時間同步技術(shù)：概述頻率糾纏源制備技術(shù)以及單光子探測技術(shù)的研究現(xiàn)狀；并重點介紹基于不同量子時間同步協(xié)議的時間同步方案研究進展；最后對基于頻率糾纏源的時間同步技術(shù)的發(fā)展趨勢及其在測繪導航領(lǐng)域的潛在應用進行分析與展望。

頻率糾纏源；自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換；單光子探測器；時間同步協(xié)議；量子時間同步

0 引言

時間頻率是目前精度最高的基本物理量，在導航定位、大地測量等眾多領(lǐng)域應用廣泛。時頻技術(shù)的進步促進了測繪導航領(lǐng)域的快速發(fā)展。為了實現(xiàn)時頻信號的高保真應用，時頻同步技術(shù)的精度必須高于時頻信號自身的精度。研究學者一直致力于探索高精度的時頻傳遞技術(shù)，其中基于雙向比對模式的激光時間傳遞技術(shù)可以實現(xiàn)優(yōu)于100皮秒（picosecond，ps）（1 ps =1×10-12s）的傳遞準確度[1-2]；基于光纖的光學時頻傳遞技術(shù)可以實現(xiàn)飛秒（femtosecond，fs）（1 fs =1×10-15s）級的時間同步[3-4]；基于光梳的自由空間雙向時頻傳遞技術(shù)可以實現(xiàn)亞fs級的時間同步精度[5-6]。但這些傳統(tǒng)時頻傳遞技術(shù)由于受到標準量子極限的限制，同步精度的提升面臨困難。此外，傳統(tǒng)時頻傳遞技術(shù)在安全性方面也面臨挑戰(zhàn)，易受數(shù)據(jù)篡改、信號欺騙等問題的影響。當前基于原子頻標技術(shù)的時頻信號的精度已進入1×10-19量級[7]，對時頻傳遞技術(shù)提出了更高的要求，因此必須尋求并發(fā)展新型時頻傳遞技術(shù)。

量子力學建立至今，逐漸衍生出量子光學、量子信息學等眾多學科。量子時間同步是量子光學與時間頻率技術(shù)交叉形成的新興研究領(lǐng)域。與歐美發(fā)達國家相比，我國在量子時間同步技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，但發(fā)展非常迅速。這歸功于研究學者的不斷探索。當前已經(jīng)形成了多種量子時間同步方案，主要包括基于預糾纏共享的量子時間同步[8-9]、分布式量子時間同步[10-11]、基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)的量子時間同步[12]和基于頻率糾纏源的量子時間同步等?；陬A糾纏共享的量子時間同步的測量精度與待同步鐘的位置無關(guān)，當前面臨的主要瓶頸是建立待同步的預先糾纏共享。分布式量子時間同步的測量精度與2地信息傳輸時間的不確定度無關(guān)，目前面臨的主要瓶頸是量子態(tài)的退相干時間長度和量子門操作的準確度等。近年來，我國在時間同步領(lǐng)域取得了突破性進展。借助于“墨子號”量子衛(wèi)星，文獻[12]提出并驗證了基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)的安全時間同步方案，獲得了30 ps的星地時間傳遞精度。美國在量子時間同步領(lǐng)域也取得了階段性進展。美國研究人員借助于部署在相距50 km的2個國家實驗室之間的實地量子網(wǎng)絡，成功地在同一根光纖上同時傳遞量子信號和經(jīng)典時鐘信號，實現(xiàn)了2地時鐘在小于5 ps的時間內(nèi)保持同步。

1 量子時間同步相關(guān)核心技術(shù)

高質(zhì)量糾纏源的制備與量子信號的高效探測是量子時間同步技術(shù)的重要組成部分，直接決定著量子時間同步的測量精度。本小節(jié)分別介紹當前頻率糾纏源制備技術(shù)以及單光子探測技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

1.1 頻率糾纏源制備技術(shù)

基于不同的糾纏源制備方法可以產(chǎn)生不同自由度形式的糾纏信號，主要包括偏振糾纏[14]、空間糾纏[15]和頻率糾纏[16]等。其中，頻率糾纏源的量子糾纏特性在經(jīng)過遠距離的傳輸后幾乎無變化[17]，在量子時間同步技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應用前景。當前頻率糾纏源的制備方法主要包括自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換和四波混頻等。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程是最早使用的量子糾纏源制備方法，其主要利用晶體的二階非線性效應。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換通過利用泵浦光源照射非線性晶體，進而產(chǎn)生具有糾纏特性的雙光子對，屬于三波混頻過程。經(jīng)過多次技術(shù)革新，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)相對成熟，具有較強的實用化優(yōu)勢?；谒牟ɑ祛l過程的糾纏源制備技術(shù)研究相對遲緩，原因主要是三階非線性極化率遠小于二階非線性極化率，并且基于三階極化率的四波混頻過程比三波混頻過程復雜得多。

自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程通常利用相位匹配技術(shù)或者準相位匹配技術(shù)來實現(xiàn)。在相位匹配過程中，由于晶體中存在走離效應，無法充分利用晶體的有效非線性系數(shù)。并且當泵浦激光的功率較高時會產(chǎn)生不可忽略的高階多光子項。這些缺點是相位匹配參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)在未來發(fā)展道路上需要解決的技術(shù)難點。準相位匹配過程中常用的非線性晶體為周期極化晶體。由于極化晶體內(nèi)部的極化矢量方向具有周期性反轉(zhuǎn)的特性，可以有效補償非線性過程中的適配量，因此每個周期內(nèi)的光強可實現(xiàn)逐漸遞增，有效增強了糾纏光源的亮度。相比于相位匹配技術(shù)，基于準相位匹配技術(shù)產(chǎn)生的糾纏源在糾纏度、干涉可見度和亮度方面均有較大提升，是當前高質(zhì)量糾纏源的主要制備方法。值得一提的是，我國于2016年發(fā)射了“墨子號”量子衛(wèi)星，搭載的量子糾纏源就采用了準相位匹配技術(shù)，每秒鐘可產(chǎn)生5.9×106個糾纏光子對[18]。

在制備頻率糾纏源的過程中，量子信號的頻率糾纏特性由非線性晶體的相位匹配函數(shù)以及泵浦激光的譜型函數(shù)共同決定。根據(jù)關(guān)聯(lián)特性不同，頻率糾纏源主要包括頻率正關(guān)聯(lián)糾纏源和頻率反關(guān)聯(lián)糾纏源。在自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程中，當采用準單色連續(xù)激光作為泵浦光源時，可以獲得理想的頻率反關(guān)聯(lián)糾纏源。文獻[19]利用準單色連續(xù)激光源泵浦周期極化晶體，所制備的頻率反關(guān)聯(lián)糾纏源的頻率不可分性達到了95%。當采用脈沖激光作為泵浦光源時，通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程既可以產(chǎn)生頻率正關(guān)聯(lián)糾纏源，也可以產(chǎn)生頻率反關(guān)聯(lián)糾纏源。并且，當使用脈沖泵浦激光為單光子探測器提供觸發(fā)信號時，探測器可以工作在門控模式下，能夠有效降低探測系統(tǒng)的暗計數(shù)率。文獻[20]通過利用飛秒脈沖激光泵浦周期極化磷酸氧鈦鉀晶體獲得了頻率正關(guān)聯(lián)糾纏源，并且借助于4 km光纖進行了原理驗證實驗，獲得了亞皮秒量級的時間同步穩(wěn)定度。文獻[21]基于準相位匹配技術(shù)，通過利用飛秒脈沖激光器泵浦周期極化晶體獲得了頻率正關(guān)聯(lián)糾纏源，并且運用馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder，MZ）干涉儀測量了糾纏信號的頻譜不可分性和頻率糾纏度，結(jié)果分別為0.52±0.02和15.8±0.8。

當前基于周期極化晶體的頻率糾纏源通常體積比較龐大，不利于實際應用。為了促進頻率糾纏源的實用化，研究人員逐步開始探索小型化和便捷式頻率糾纏源。波導具有體積小、強抽運能量聚集等優(yōu)點，是當前集成小型化量子糾纏源的主要資源。文獻[22]基于周期極化鈮酸鋰波導集成了小型化量子糾纏源，當泵浦光功率為44.9 mW時，每秒鐘可產(chǎn)生1.87×107對糾纏光子。文獻[23]基于周期極化鈮酸鋰波導集成了一臺質(zhì)量約4.7 kg、體積大小為31.5 cm×23.5 cm×8 cm的便攜式頻率糾纏源。當頻率糾纏源功率設定為40 mW時，單光子計數(shù)達到了2.28×107s-1，直接符合計數(shù)更是達到了1.275×106s-1。小型化、便攜式和高品質(zhì)頻率糾纏源的研究與開發(fā)，必將加速時間同步技術(shù)的實用化進程。

1.2 單光子探測技術(shù)

頻率糾纏信號通常處于單光子級別，必須使用單光子探測器來對其進行探測。理論研究表明，糾纏光子對的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的寬度一般取決于單光子探測器的時間抖動，因此單光子探測器的性能直接影響著量子時間同步技術(shù)的測量精度。常用的單光子探測器主要包括光電倍增管、單光子雪崩二極管（single photon avalanche diode，SPAD）和超導納米線單光子探測器（superconductor nanowire single-photon detector，SNSPD）。其中，微通道板光電倍增管的增益穩(wěn)定性較高，時間抖動最小可達25 ps。但光電倍增管的主要缺點是探測效率偏低，暗計數(shù)率較大，不能滿足高精度的單光子探測需求。SPAD的理論基礎是電離碰撞效應，目前技術(shù)相對成熟的是基于硅（silicon，Si）材料的SPAD和基于銦鎵砷/磷化銦材料的SPAD?；赟i材料的SPAD的光譜響應范圍上限約1 μm，時間分辨率低至50 ps，探測效率達到70%以上。由于銦鎵砷/磷化銦材料的禁帶寬度較低，因此基于銦鎵砷/磷化銦材料的SPAD具有更高的光譜響應上限（約1.7μm）。目前基于銦鎵砷/磷化銦材料的商用SPAD的探測效率可達40%，時間分辨率小于100 ps。

隨著材料科學的發(fā)展，基于超導納米材料的單光子探測技術(shù)應運而生，逐漸形成了SNSPD。當前常用的超導納米線材料有氮化鈮和硅化鎢2種，其光譜響應范圍約400～3000 nm。與光電倍增管和SPAD相比，SNSPD的各項性能指標均有重大突破。文獻[24]研制的SNSPD獲得了低至1×10-3Hz量級的暗計數(shù)率。文獻[25]研制的SNSPD獲得了低至12 ps的時間抖動。文獻[26]基于無損介質(zhì)鏡面加三明治結(jié)構(gòu)制備的SNSPD器件在0.8 K工作溫度下的探測效率達到98%。當前，已有多家國內(nèi)外廠商可以提供性能優(yōu)越的商用SNSPD，時間抖動低于12 ps，探測效率大于90%。SNSPD所具備的超高探測效率以及超低時間抖動等優(yōu)點，有助于顯著提升量子時間同步技術(shù)的測量精度。但SNSPD在運行過程中需要高真空和超低溫（2～4 K）環(huán)境，成本相對較高。

2 基于頻率糾纏源的量子時間同步協(xié)議

基于頻率糾纏源的量子時間同步技術(shù)具有較強的實用性，目前已形成多種量子時間同步協(xié)議?；谧园l(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的頻率糾纏雙光子對是當前量子時間同步技術(shù)研究的主要資源。文獻[27]和文獻[28]對量子時間同步協(xié)議的原理及實現(xiàn)方法進行了詳細的描述，本文不再贅述。隨著量子測量技術(shù)研究的深入，頻率糾纏源制備技術(shù)以及單光子探測技術(shù)均取得了跨越式發(fā)展，研究學者逐漸開展了眾多量子時間同步協(xié)議的原理驗證實驗。

2.1 單向量子時間同步協(xié)議

文獻[29]于2004年提出了基于頻率糾纏光子對的單向量子時間同步協(xié)議，并且借助于3 km光纖進行了原理驗證實驗，得到的鐘差測量精度為1 ps。單向量子時間同步協(xié)議的實驗原理及裝置相對簡單，易于操作。但由于在工作過程中，糾纏雙光子對的傳輸路徑不具有對稱性，因此易受傳輸路徑時延抖動帶來的誤差影響?；谠搮f(xié)議，文獻[30]提出了一種星地時間同步方案。通過仿真分析可知，該星地時間同步方案可提供小于0.14 ps的時間同步精度。如果該方案能夠成功應用于同步衛(wèi)星時鐘和地面時鐘，則可有效增強衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間同步精度。量子信號在實際傳輸過程中不可避免會受到大氣的吸收與散射效應，進而引起量子信號的功率衰減以及傳輸路徑偏移，影響時間同步精度。文獻[31]通過仿真的形式研究了大氣傳輸對時鐘同步測量精度的影響。結(jié)果表明，量子信號由于大氣傳輸引起的能量衰減，使時間同步的精度降低為10 ps，并且大氣傳輸對時間同步精度的影響與量子信號的波長密切相關(guān)。但文獻[30]和文獻[31]在研究過程中存在不足之處，均沒有考慮消相干效應和量子噪聲的影響，相關(guān)研究有待更深入地探索。

2.2 雙向量子時間同步協(xié)議

文獻[32]提出了一種基于光纖鏈路的雙向量子時間同步協(xié)議。該協(xié)議在工作過程中，2個相向傳輸?shù)念l率糾纏信號共用同一通道，因此在克服傳輸鏈路不對稱性方面具有天然的優(yōu)勢?；谠搮f(xié)議，文獻[33]在20 km長的實驗室光纖盤上驗證了雙向量子時間同步方案，在40960 s時實現(xiàn)的同步穩(wěn)定度為45±38 fs。為了擴展時間同步距離，文獻[34]在50 km長的實驗室光纖上演示了雙向量子時鐘同步實驗。當使用公共參考時鐘時，在57300 s時實現(xiàn)了54.6 fs的同步穩(wěn)定度；當使用獨立參考時鐘時，結(jié)合微波頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，在57300 s時的同步穩(wěn)定度為89.5 fs。為了加速時間同步技術(shù)的實用化進程，文獻[35]借助于7 km長的實地光纖，在位于國家授時中心園區(qū)內(nèi)的氫脈澤和位于驪山天文臺的銣鐘之間進行雙向量子時間同步的現(xiàn)場測試。結(jié)果表明，短期同步穩(wěn)定度達到了銣鐘對氫脈澤的固有頻率穩(wěn)定度。在30 s時，同步穩(wěn)定度為32 ps；在7680 s時，長期同步穩(wěn)定度達到19.3 ps。

隨著量子中繼器技術(shù)的發(fā)展，基于光纖的雙向量子時間同步技術(shù)有望在數(shù)百公里的光纖鏈路上實現(xiàn)高精度的量子時間同步。當前已開展的原理驗證實驗所取得的成果有力展示了雙向量子時鐘同步在提高基于城域光纖鏈路的同步精度方面的潛力，為雙向量子時鐘同步在城域光纖鏈路上實現(xiàn)飛秒級的高精度時間同步提供了光明的前景。

2.3 傳送帶量子時間同步協(xié)議

文獻[36]于2001年提出傳送帶量子時間同步協(xié)議。該協(xié)議在工作過程中，由于頻率糾纏光子對的傳輸路徑具有對稱性，因此傳輸路徑的介質(zhì)特性以及傳輸過程中的其他效應均不會影響測量精度。在相同光源強度的條件下，基于傳動帶量子時間同步協(xié)議的時間同步方案可以實現(xiàn)更高精度、更遠距離的時間同步。另外，該協(xié)議工作過程中無須測量頻率糾纏雙光子對的到達時間，測量精度主要取決于糾纏光子對的頻率帶寬。

在傳送帶量子時間同步協(xié)議的基礎上，文獻[37]提出了一種星地時間同步方案，并在考慮地球時空曲率影響的背景下分析了傳送帶量子時間同步協(xié)議在衛(wèi)星與地面之間進行同步的可行性。該方案在工作過程中，2個待同步時鐘分別安裝在地面基站和低軌衛(wèi)星上，糾纏光子對之間的光程差通過以恒定速度移動的反射鏡來獲得。研究結(jié)果表明，地球時空曲率對時間同步系統(tǒng)的符合計數(shù)率影響顯著；時間同步的精度與頻率糾纏光子對特性以及衛(wèi)星高度密切相關(guān)。文獻[38]研究了量子信號從低軌衛(wèi)星發(fā)射至地面接收機的光學損耗，結(jié)果表明單向鏈路損耗預計低于20 dB，證明了基于衛(wèi)星和地面基站之間進行光子交換的可行性。基于傳送帶量子時間同步協(xié)議進行星地之間時間同步的方案原則上可以利用現(xiàn)有的技術(shù)進行實現(xiàn)。當前星地量子時間同步技術(shù)的研究尚處于初始階段，除了地球時空曲率外，潮汐力、多普勒效應以及地球自轉(zhuǎn)等眾多因素均會對時間同步精度產(chǎn)生重要影響[39]，相關(guān)機理有待進一步深入探索。

傳送帶量子時間同步協(xié)議的時間同步精度與時延變化速率之間具有正相關(guān)關(guān)系。文獻[36]指出，若要使同步精度達到100 ps量級，則必須使時延裝置的變化速率達到500 m/s，這在實際操作中難以實現(xiàn)。針對這個問題，文獻[40]基于薩尼亞克（Sagnac）效應提出了一種針對傳送帶量子時間同步協(xié)議的擴展方案并進行了原理驗證實驗。通過側(cè)邊鎖定的方法，實現(xiàn)了高穩(wěn)定度的洪-歐-曼德爾（Hong-Ou-Mandel，HOM）干涉環(huán)路鎖定以及更好的反饋速度。結(jié)果表明，在10000 s時系統(tǒng)的同步穩(wěn)定度為11.4 fs，驗證了基于Sagnac效應的傳送帶量子時間同步方案具有飛秒量級的同步穩(wěn)定度。

傳送帶量子時間同步協(xié)議既可以用于自由空間鏈路的時間同步，也可以用于光纖鏈路的時間同步。因此，傳送帶量子時間同步協(xié)議既可以用于星地間的時間同步，也可以應用于地面時間同步體系，在構(gòu)建天地一體化的時間同步及授時體系方面具有很好的應用前景。當前傳送帶量子時間同步協(xié)議的主要瓶頸是研制符合需求的勻速變化時延裝置，相關(guān)核心技術(shù)有待進行更深入的研究。

2.4 基于二階量子干涉的量子時間同步協(xié)議

文獻[41]于2004年提出了基于二階量子干涉的時間同步協(xié)議?；谠搮f(xié)議，文獻[42]首先從理論上量化分析了時間同步的準確度和穩(wěn)定度。結(jié)果表明，頻率糾纏雙光子對的波長不簡并以及量子信號傳輸路徑的二階色散對時間同步準確度影響較大；頻率糾纏雙光子對的波包色散展寬以及量子信號符合計數(shù)率的大小對時間同步穩(wěn)定度影響較大。在理論研究的基礎上，文獻[42]借助于 4 km光纖進行了基于二階量子干涉時間同步協(xié)議的原理驗證實驗，得到時間同步系統(tǒng)的萬秒穩(wěn)為440 fs。該原理驗證實驗有力證明了亞皮秒級量子時間同步技術(shù)在實際應用中的廣闊前景?；诙A量子干涉的量子時間同步協(xié)議在工作過程中，其時間同步精度與2個待同步時鐘的相對位置無關(guān)，與HOM干涉儀環(huán)路平衡鎖定系統(tǒng)的鎖定精度密切相關(guān)，可達到飛秒量級。

由于頻率糾纏光源具有獨特的非定域色散消除特性，在二階量子干涉時間同步協(xié)議的基礎上，文獻[43]提出一種基于光纖的消色散光纖量子時間同步協(xié)議。理論研究表明，該協(xié)議的時間同步精度主要取決于頻率糾纏雙光子的頻譜帶寬和環(huán)境溫度變化。運用該量子時間同步協(xié)議對相隔幾十公里的2個時鐘進行時間比對時，可獲得小于1 ps的時鐘同步精度。

3 總結(jié)與展望

量子時間同步技術(shù)具有高精度和高保密性等特點，在測繪導航、時頻基準等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。隨著頻率糾纏源制備技術(shù)與單光子探測技術(shù)的進步，目前已經(jīng)形成了多種量子時間同步協(xié)議并開展了原理驗證實驗，取得了幾十飛秒量級的時間同步穩(wěn)定度，證明了量子時間同步方案實現(xiàn)飛秒量級時間同步的應用潛力。量子時間同步技術(shù)的應用研究當前仍處于初級階段，結(jié)合量子時間同步技術(shù)的研究現(xiàn)狀，可對量子時間同步技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行如下總結(jié)：

1）應注重高品質(zhì)量子糾纏或者壓縮光源的研制。當前基于頻率糾纏源的時間同步協(xié)議以及原理驗證實驗研究均基于糾纏雙光子對，無法充分體現(xiàn)出量子時間同步技術(shù)在測量精度方面的優(yōu)越性。研究學者應注重小型化、便攜式和高品質(zhì)的高階量子糾纏源研制，并深入探索相匹配的時間同步協(xié)議，加快實現(xiàn)量子時間同步技術(shù)的實用化以及測量精度的不斷提升。

2）量子時間同步技術(shù)應與飛秒光頻梳技術(shù)相互融合發(fā)展。近年來，基于飛秒光頻梳的時間傳遞技術(shù)取得了突破性的進展，已經(jīng)可以在公里級的大氣信道上實現(xiàn)亞飛秒級的時間同步。理論研究已經(jīng)表明，運用量子光頻梳代替?zhèn)鹘y(tǒng)光頻梳，可以實現(xiàn)量子測量技術(shù)與光頻梳技術(shù)優(yōu)點的完美結(jié)合，使時間同步技術(shù)的測量精度突破標準量子極限的限制[44]。融合量子測量技術(shù)與飛秒光頻梳技術(shù)實現(xiàn)自由空間遠程高精度時間傳遞具有巨大的應用潛力，是時間同步技術(shù)的重要研究方向之一。

3）量子時間同步技術(shù)應注重開展基于自由空間鏈路的時間同步驗證實驗。當前，基于頻率糾纏源的量子時間同步技術(shù)的原理驗證實驗均采用光纖鏈路，量子信號的大氣傳輸理論及模型研究相對薄弱?；诠饫w的量子時間同步技術(shù)僅能工作在具有雙向光纖鏈路連接的固定站點之間，然而基于自由空間鏈路的量子時間同步能夠快速地在不同站點之間實現(xiàn)時鐘同步，并且能夠開展基于衛(wèi)星的廣域時頻網(wǎng)絡，彌補光纖鏈路的不足。為了加速量子時間同步技術(shù)的實用化進程，必須積極開展基于自由空間鏈路的量子時間同步技術(shù)研究。不斷探索自由空間鏈路對量子信號傳輸性能的影響機理，并積極探索傳輸時延的修正與補償方案。

4）研究和搭建天地一體化的量子時間同步體系。當前我國在量子通信領(lǐng)域取得了令人矚目的研究成果，形成了天地一體化量子通信網(wǎng)絡雛形，在量子信號傳輸與耦合接收方面積累了豐富經(jīng)驗。并且基于頻率糾纏源已經(jīng)形成了多種量子時間同步協(xié)議，可以實現(xiàn)基于光纖鏈路和自由空間鏈路的時間同步。在未來的研究過程中，量子時間同步技術(shù)應借鑒并加強與量子通信技術(shù)的融合發(fā)展，積極探索基于地面光纖鏈路以及基于衛(wèi)星平臺的量子時間同步技術(shù)方案，加速形成天地一體化的量子授時體系。

5）量子時間同步技術(shù)應加強在測繪導航領(lǐng)域的應用研究。2020年，北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面完成并開通全球服務，可以進行高精度的定位與授時。但當前衛(wèi)星雙向時間傳遞的精度幾百皮秒，無法滿足超高精度的時間同步需求。如何利用量子時間同步技術(shù)提升星地之間以及星載鐘之間的時間同步精度具有重要研究意義。由于測距問題本質(zhì)上是時間測量的問題，因此激光測距技術(shù)（激光跟蹤儀、激光測距儀等）應積極借鑒和融合量子時間同步技術(shù)，促進精密工程測量技術(shù)的快速發(fā)展。此外，當前我國在綜合定位、導航和授時體系建設過程中，擬對時間比對鏈路進行擴展。其中，在利用光纖時頻傳遞代替全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)時頻傳遞的地基增強系統(tǒng)中，量子時間同步技術(shù)具有重要應用潛力。測繪導航專業(yè)人員須密切跟蹤量子時間同步技術(shù)的研究進展，并積極推動該技術(shù)在測繪導航領(lǐng)域的應用。

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Progresses of high-precision clock synchronization technology based on frequency entangled source

WEI Yaxu, LI Jiansheng, LI Guangyun

（Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China）

In order to further improve the precision of time synchronization in mapping and navigation field, the paper researched and discussed the quantum clock synchronization technology which can break through the standard quantum limit: the research statuses of frequency entanglement source preparation technology and single photon detection technology were outlined; and the research progresses of clock synchronization schemes based on different quantum time synchronization protocols were introduced; finally, the future development directions of quantum clock synchronization technology based on frequency entangled source and its possible applications in the field of surveying and mapping navigation were analyzed and prospected.

frequency entangled source; spontaneous parametric down-conversion; single photon detector; time synchronization protocol; quantum clock synchronization

魏亞旭, 李建勝, 李廣云. 基于頻率糾纏源的高精度時間同步技術(shù)進展[J]. 導航定位學報, 2023, 11(3): 1-7.（WEI Yaxu, LI Jiansheng, LI Guangyun. Progresses of high-precision clock synchronization technology based on frequency entangled source[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 1-7.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230301.

O436；P228

A

2095-4999(2023)03-0001-07

2022-09-08

魏亞旭（1991—），男，河南許昌人，博士，研究方向為量子測距、量子時間同步在測繪導航領(lǐng)域的應用。

李廣云（1965—），男，江蘇南京人，博士，教授，研究方向為大地測量學、測量工程和衛(wèi)星導航等。