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Time Tagger Ultra 產(chǎn)品在八節(jié)點(diǎn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用介紹

2021-12-151170次

量子通信網(wǎng)絡(luò)因其依賴于光量子特性，被認(rèn)為是更加安全的通信網(wǎng)絡(luò)。2017年，世界首條長達(dá)2000公里的量子保密通信干線—— “京滬干線”建成開通，實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)的成熟應(yīng)用正在成為國際學(xué)術(shù)界競相追求的目標(biāo)。然而，為實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的量子通信網(wǎng)絡(luò)，需要大量昂貴的硬件設(shè)施保證參與者之間的相互連接，一方面增加了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的成本，另一方面因多個(gè)硬件參與導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)升高。近日，英國、奧地利、克羅地亞和中國的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種城域范圍內(nèi)無可信中繼的新型量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并在實(shí)驗(yàn)中得以實(shí)現(xiàn)。這一新型架構(gòu)有望拓展為更大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)研究成果發(fā)表于9月2日出版的Science Advance, DOI: 10.1126/sciadv.aba0959。

英國布里斯托爾大學(xué)Siddarth K. Joshi帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)利用光纖將8個(gè)節(jié)點(diǎn)與偏振糾纏光子對源相連，該星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都存在糾纏關(guān)聯(lián)而無需可信節(jié)點(diǎn)。通過密集波分復(fù)用（Dense wavelength-division multiplexing, DWDM）技術(shù)，根據(jù)光子波長的差異將光子從單個(gè)激光器中分開而不必復(fù)制整個(gè)通信系統(tǒng)，這樣用戶僅需關(guān)注特定波長的光子，而忽略其他光子，就可以有效減少硬件數(shù)量、并向更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)拓展，大幅降低了量子通信網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 波分復(fù)用和多路分解的示意圖和實(shí)驗(yàn)中布里斯托爾市的用戶分布及節(jié)點(diǎn)的測量設(shè)備。（來源：advances.sciencemag.org/）

在這項(xiàng)研究中，網(wǎng)絡(luò)中的量子加密由中央源產(chǎn)生的光子對實(shí)現(xiàn)，光子由光纖分配給不同節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信，則必須找到同時(shí)到達(dá)的光子，即糾纏光子對。其中，使用精準(zhǔn)的“時(shí)間標(biāo)記器”（亦即“時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器”，Time-to-Digital Converter）測量各節(jié)點(diǎn)的光子接收到的時(shí)間對于實(shí)驗(yàn)實(shí)施至關(guān)重要。在這項(xiàng)研究中，科研人員選用德國Swabian Instruments生產(chǎn)的18通道Time Tagger Ultra讀取、記錄超導(dǎo)納米線單光子探測器檢測到的光子信號(hào)（如上圖B中所示）。

德國Swabian Instruments致力于開發(fā)、提供數(shù)字信號(hào)采集處理的通用解決方案。Time Tagger 系列產(chǎn)品時(shí)間抖動(dòng)低至9 ps，死時(shí)間僅有2 ns，優(yōu)異的時(shí)間分辨率可與絕大多數(shù)高分辨單子探測器適配，能夠廣泛應(yīng)用于要求苛刻的量子物理、固體物理和生物高分辨成像實(shí)驗(yàn)。Swabian Instruments提供MATLAB，LabVIEW，python，C＃，C/C++在內(nèi)的多種語言/架構(gòu)，方便用戶選用自己喜歡的編程語言來獲取、分析數(shù)據(jù)，免費(fèi)本機(jī)庫和代碼示例也為用戶個(gè)性化實(shí)施實(shí)驗(yàn)提供了便利。以硬件為基礎(chǔ)的條件過濾器僅捕獲與實(shí)驗(yàn)測量相關(guān)的探測信息，從而可以大幅提高有效數(shù)據(jù)傳輸。此外Swabian Instruments最近發(fā)布的信號(hào)同步裝置Synchronizer可同步處理8組Time Tagger Ultra，最多144個(gè)通道的輸入信號(hào)，為大規(guī)模實(shí)驗(yàn)應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

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