基于频率反相关纠缠光源的量子时间同步研究

高精度时间同步技术在基础科研以及实际应用中都有着重要作用。传统的时间同步技术主要基于爱因斯坦时钟同步法，其同步精度受限于经典测量的散粒噪声极限，因此研究应用量子效应突破散粒噪声极限的时间同步技术在国际上受到广泛关注。本项目的名称为：基于频率反相关纠缠光源的量子时间同步研究，项目主要从理论和实验两方面研究如何产生高效的频率反相关纠缠光源，分析频率纠缠光源的频率纠缠特性与量子时间同步精度的关系；利用频率纠缠源进一步构建基于自由空间和光纤链路的远程量子时间同步的原理验证演示实验系统，对不同量子时间同步方案进行验证、分析和比较，确定并提出最适合实际远程时间同步系统的量子技术方案；研究远距离传输路径中的损耗及色散等因素对时间同步精度的影响并寻找可能的克服手段。通过本项目研究，为量子时钟同步技术在我国远距离时钟同步系统中的实际应用提供理论和技术储备。.经过四年的研究，取得了一系列研究进展。包括：1) 提出了基于频率反关联纠缠光子对的可消色散光纤量子时间同步方案，揭示了在中短距离时钟间实现亚皮秒量级同步精度的可行性；2)完成了基于790nm超短脉冲泵浦PPKTP晶体的高效频率纠缠光源的产生实验装置，利用量子效率约10%的单光子探测器测得高达180K/s的单光子计数和56000/s的符合计数；3) 克服红外通信波长单光子探测的高暗计数率及低量子效率特性，首次精确测量了1580nm波段纠缠光源的频率一致特性及纠缠度；4) 理论并实验验证了泵浦光带宽、啁啾特性，及晶体长度对脉冲泵浦下参量下转换产生的频率纠缠光源量子特性的影响；5) 利用已产生的频率纠缠光源实现了在4公里光纤距离上0.5皮秒精度的时间同步原理性实验演示,之前同类实验在3km光纤上获得最高同步精度为1皮秒；6) 开展了1560nm频率反关联纠缠光源的产生及测量实验研究。通过优化780nm倍频实验系统，获得最大输出742mW的倍频光，并利用该光源泵浦Ⅱ类匹配PPKTP晶体（1cm）获得频率反关联纠缠光，在总探测效率为14.8%时，得到最大单光子计数370KHz，直接符合计数率为22KHz，对应的单光子操控效率为40%；7).测量频率反关联纠缠光源的HOM干涉可见度为95%、时间关联宽度为1.28ps；纠缠源的频率纠缠度6.2。上述研究成果为我们进一步攻克量子时间同步应用关键技术奠定了基础。