量子通信中的精密時間測量技術研究

陳佐

[摘要]對于量子信息來說，屬于量子物理和信息科學相聯系學科，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需求入手，研究量子通信中精度時間測量方法。

[關鍵詞]量子通信 精密時間 測量技術

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展開研究。

一、量子通信對時間測量技術的需求

量子通信對時間測量技術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，而現在實驗中應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，所以應盡可能縮短死時間，最好控制在40ns以下。

第三，動態范圍較大。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。對于量子密鑰分發實驗來說，需要應用四個量子信號光才能完成時間測量，若要實現同步光信號與GPS信號測量，也需要應用到時間測量技術，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字測量法：

首先，模擬測量法。在模擬測量法中主要應用了時間放大技術、幅度轉換技術、波形數字化技術等三種。隨著時間放大技術的應用，有效提升了時間分辨率，并在待測時間間隔中應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，盡管該技術有很多優點，但也有一定缺點，如難以縮短死時間。而時間幅度轉換技術來說，就是將時間轉換為一定幅度的電壓，并在快速模擬轉化器的作用下完成數字轉換，這樣不僅防止了電路噪聲的出現，還有效強化了分辨率，增強了一致性。如在某次實驗中發現，在時間幅度轉換技術的影響下，時間測量精度可以達到400ps以上。

同樣，波形數字化技術的應用，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，但在利用該技術的過程中也要注意它的不足，即所需資金較大，復雜度較強。

其次，數字測量法。數字測量法中擁有游標卡尺技術、延遲線內插技術。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，需要應用振蕩器，所以，后來也將延遲線應用到游標卡尺設計中，有效彌補了原有設計中的不足。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。

而延遲線內插技術則是數字TDC技術中的中心技術，其中融合了很多延遲時間相同的單元，它們共同構成了一條鏈，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，隨著延遲線內插技術的應用，量子通信的精密時間測量能力不斷提升。

通過研究發現，在數字電路中，經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，鎖相環技術等被應用其中，不僅有效強化了延遲時間穩定性，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，這些技術的應用有很多好處。

三、結束語

通過以上研究得知，隨著經濟與科技的發展，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，聯系實際情況對模擬測量技術與數字測量技術等多種時間測量技術展開研究，并找出這些技術的優缺點，有針對性的應用與解決，只有這樣才能推進量子通信發展，以便為量子通信奠定堅實基礎，增強量子通信的可行性與實用性，滿足實際使用需求。