论文部分内容阅读
针对不同的应用场景，传统测距技术不断发展，例如超声波测距、红外测距、电磁波测距、激光测距等，但获得的距离分辨率始终受限于标准量子极限(Standard Quantum Limit, SQL)或散粒噪声极限(Shot Noise Limit, SNL)。与之不同，量子精密测距技术通过利用特有的量子属性，比如量子纠缠态或量子压缩态，可以突破束缚传统测距技术的标准量子极限，使测距精度提升至海森堡极限(Heisenberg Limit,HL)。特别是基于Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉仪的量子精密测距方案，可以提供100fs(亚皮秒级别)的时间间隔分辨率，即微米级别的测距精度。这无疑为未来新型导航定位系统的研究带来了新思路，具有重要的应用价值。
本文深入剖析了HOM干涉仪的测距原理，即时间延迟参数的零值与光子符合计数结果的零值(称为“MandelDip”)之间，具有唯一对应关系(“HOM效应”)。并且给出了几种扩展型HOM干涉仪结构，通过将“MandelDip”从单个时延参数形式扩展至多个时延参数形式的手段，实现了“HOM效应”的高维扩展，解决了多个独立时间延迟参数的数值估计问题，得到了多对光学路径的路程差，达到了量子测距的目的。此外，借助于扩展型HOM干涉仪测距精度高、安全性好的特征，分别从量子定位与量子通信两个角度提出了实际应用方案，说明基于HOM干涉仪的量子精密测距方法具有广泛的应用前景。相关的主要研究工作和成果包括：
1.针对传统HOM干涉仪仅采用频率纠缠光子作为输入，并未考虑经典光作为输入的研究背景，比较分析了基于量子光源与经典光源的HOM干涉仪测距性能。通过分析双光子态和相干态各自引起的光子符合计数结果发现，在理想信道上分别采用双光子态与相干态作为输入，均可以实现“HOM效应”，但由相干态引起的光子符合计数零值伴随着一系列的参数快速抖动。这样的参数抖动直接影响光子符合计数结果的下降沿可见度，表明了量子光源是相较于经典光源的更优选择。此外还对比分析了衰减信道上由两种量子态分别引起的光子符合计数结果，用于说明光子损耗对HOM干涉仪测距性能的影响。
2.针对传统HOM干涉仪仅能估计出单个时间延迟参数数值的局限性，提出了一个两时延参数HOM干涉仪方案，相比于传统HOM干涉仪结构，添加了另一个50:50分束器(Beam Splitter,BS)以及一个四分之一波片。在理想情况下，以双光子态作为输入，实现了“HOM效应”的二维扩展，即通过识别两时延参数形式的“MandelDip”特征，可以估计出两个独立时间延迟参数的数值，实现量子测距。但在参数抖动情况下，该光子符合计数结果的唯一零值却不再存在，但是两个独立时间延迟参数的数值，仍然可以通过光子符合计数结果的对称特征得到估计。此外，在理想信道与衰减信道上，通过对比分析由双光子态和相干态分别引起的光子符合计数结果，说明了以量子光源作为输入光源所带来的测距优势。
3.针对多个独立时间延迟参数的估计问题，提出了一个三时延参数HOM干涉仪方案。与两时延参数HOM干涉仪相比，该光路结构中添加了另一个50:50BS，一个四分之一波片仍然保留。通过遍历不同时延参数情况下，基于双光子态的光子符合计数结果发现，符合计数结果的零值并不能与所有时延参数均为零的情况，形成唯一对应关系。即并不能利用三时延参数形式的“MandelDip”实现“HOM效应”的三维扩展。但即便如此，在参数抖动情况下，三个独立时间延迟参数的数值仍然可以通过光子符合计数结果的对称特征，分两个步骤得到估计。
4.针对上述两种扩展型HOM干涉仪的实际应用前景，以量子定位系统(Quantum Positioning System,QPS)为例，从理论上提出了基于两种扩展型HOM干涉仪的新型量子定位系统理论模型。特别针对基于两时延参数HOM干涉仪的QPS简化模型，详细推导了目标用户的空间三维坐标解算过程。与传统QPS相比，新型QPS仅需要两个两时延参数HOM干涉仪，即可求解出目标用户的四维空时坐标。如果仅需求解目标用户的三维空间坐标，使用一个三时延参数HOM干涉仪即可实现，优化了QPS的硬件资源。
5.针对真空诱骗态BB84量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)协议中，单光子到达时间精度低的缺陷，提出了一种结合量子精密测距方法的QKD优化方案。具体来讲，采用M个纠缠光子的平均到达时间(Time of Arrival,TOA)代替传统方案中的单光子TOA，可以实现更低的密钥误码率和更高的密钥成码率。并且针对实际信道中，完全纠缠光子方案对光子损耗十分敏感的缺陷，进一步提出了部分纠缠光子方案与分组纠缠光子方案。特别是分组纠缠光子方案，以牺牲部分TOA精度为代价，提升了QKD系统对光子损耗的抵抗性。此外，进一步讨论了在衰减信道上，从三种方案中选择最优方案的策略。仿真结果表明，无论哪一种方案被选择，由其带来的QKD性能均好于传统单光子方案中的QKD性能。
本文深入剖析了HOM干涉仪的测距原理，即时间延迟参数的零值与光子符合计数结果的零值(称为“MandelDip”)之间，具有唯一对应关系(“HOM效应”)。并且给出了几种扩展型HOM干涉仪结构，通过将“MandelDip”从单个时延参数形式扩展至多个时延参数形式的手段，实现了“HOM效应”的高维扩展，解决了多个独立时间延迟参数的数值估计问题，得到了多对光学路径的路程差，达到了量子测距的目的。此外，借助于扩展型HOM干涉仪测距精度高、安全性好的特征，分别从量子定位与量子通信两个角度提出了实际应用方案，说明基于HOM干涉仪的量子精密测距方法具有广泛的应用前景。相关的主要研究工作和成果包括：
1.针对传统HOM干涉仪仅采用频率纠缠光子作为输入，并未考虑经典光作为输入的研究背景，比较分析了基于量子光源与经典光源的HOM干涉仪测距性能。通过分析双光子态和相干态各自引起的光子符合计数结果发现，在理想信道上分别采用双光子态与相干态作为输入，均可以实现“HOM效应”，但由相干态引起的光子符合计数零值伴随着一系列的参数快速抖动。这样的参数抖动直接影响光子符合计数结果的下降沿可见度，表明了量子光源是相较于经典光源的更优选择。此外还对比分析了衰减信道上由两种量子态分别引起的光子符合计数结果，用于说明光子损耗对HOM干涉仪测距性能的影响。
2.针对传统HOM干涉仪仅能估计出单个时间延迟参数数值的局限性，提出了一个两时延参数HOM干涉仪方案，相比于传统HOM干涉仪结构，添加了另一个50:50分束器(Beam Splitter,BS)以及一个四分之一波片。在理想情况下，以双光子态作为输入，实现了“HOM效应”的二维扩展，即通过识别两时延参数形式的“MandelDip”特征，可以估计出两个独立时间延迟参数的数值，实现量子测距。但在参数抖动情况下，该光子符合计数结果的唯一零值却不再存在，但是两个独立时间延迟参数的数值，仍然可以通过光子符合计数结果的对称特征得到估计。此外，在理想信道与衰减信道上，通过对比分析由双光子态和相干态分别引起的光子符合计数结果，说明了以量子光源作为输入光源所带来的测距优势。
3.针对多个独立时间延迟参数的估计问题，提出了一个三时延参数HOM干涉仪方案。与两时延参数HOM干涉仪相比，该光路结构中添加了另一个50:50BS，一个四分之一波片仍然保留。通过遍历不同时延参数情况下，基于双光子态的光子符合计数结果发现，符合计数结果的零值并不能与所有时延参数均为零的情况，形成唯一对应关系。即并不能利用三时延参数形式的“MandelDip”实现“HOM效应”的三维扩展。但即便如此，在参数抖动情况下，三个独立时间延迟参数的数值仍然可以通过光子符合计数结果的对称特征，分两个步骤得到估计。
4.针对上述两种扩展型HOM干涉仪的实际应用前景，以量子定位系统(Quantum Positioning System,QPS)为例，从理论上提出了基于两种扩展型HOM干涉仪的新型量子定位系统理论模型。特别针对基于两时延参数HOM干涉仪的QPS简化模型，详细推导了目标用户的空间三维坐标解算过程。与传统QPS相比，新型QPS仅需要两个两时延参数HOM干涉仪，即可求解出目标用户的四维空时坐标。如果仅需求解目标用户的三维空间坐标，使用一个三时延参数HOM干涉仪即可实现，优化了QPS的硬件资源。
5.针对真空诱骗态BB84量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)协议中，单光子到达时间精度低的缺陷，提出了一种结合量子精密测距方法的QKD优化方案。具体来讲，采用M个纠缠光子的平均到达时间(Time of Arrival,TOA)代替传统方案中的单光子TOA，可以实现更低的密钥误码率和更高的密钥成码率。并且针对实际信道中，完全纠缠光子方案对光子损耗十分敏感的缺陷，进一步提出了部分纠缠光子方案与分组纠缠光子方案。特别是分组纠缠光子方案，以牺牲部分TOA精度为代价，提升了QKD系统对光子损耗的抵抗性。此外，进一步讨论了在衰减信道上，从三种方案中选择最优方案的策略。仿真结果表明，无论哪一种方案被选择，由其带来的QKD性能均好于传统单光子方案中的QKD性能。