量子通信中的精密时间测量技术研究

[摘要]对于量子信息来说，属于量子物理和信息科学相联系学科，在量子通信中，最重要的就是保证时间准确，因此，提高通信时间精度就显得十分重要，本文将从量子通信对精密时间测量技术需求入手，研究量子通信中精度时间测量方法。

[关键词]量子通信 精密时间 测量技术

前言：

在量子通信中最重要的指标包括误码率、成码率以及通信距离，而这种质保又会受到时间测量精度的影响，同时，时间测量进度决定着量子通信能否成功，因此，有必要对量子通信中的精密时间测量技术展开研究。

一、量子通信对时间测量技术的需求

量子通信对时间测量技术的需求主要在于以下几点：

第一，精度要求较高。对于量子通信来说，对单光子到达时间有着较高要求，所以，就对时间精度要求较高，如在量子密钥分配实验中，随着时间精度的提升，误码率与成码率也会升高，在量子纠缠分发实验中也是如此。在量子通信实验中，对于时间精度的需求一般在100ps以上。

第二，死时间小。由于接收端要求尽量多接受可以探测到的有效单光子信号，所以就要保证时间测量电路死时间足够小，而现在实验中应用单光子探测器所需要的死时间多在40ns左右，无法满足实际需求，所以应尽可能缩短死时间，最好控制在40ns以下。

第三，动态范围较大。一般情况下，量子通信的时间多在几十秒到几百秒间，这就要保证时间测量电路的动态范围足够大，只有这样才能满足实际要求。

第四，多通道。对于量子密钥分发实验来说，需要应用四个量子信号光才能完成时间测量，若要实现同步光信号与GPS信号测量，也需要应用到时间测量技术，这就提高对通道的需求，只有多通道才能满足实际测量需求。

二、量子通信中精密时间测量方法

在精密时间测量中，可以采用的测量方法有两种，分为为模拟测量法与数字测量法：

首先，模拟测量法。在模拟测量法中主要应用了时间放大技术、幅度转换技术、波形数字化技术等三种。随着时间放大技术的应用，有效提升了时间分辨率，并在待测时间间隔中应用电流源完成电容充电，并在一定的电流源的作用下完成放电，这样就能起到放大时间的作用，然后在计数器的作用下计算出放大时间，进而折算出需要测量的时间间隔情况，尽管该技术有很多优点，但也有一定缺点，如难以缩短死时间。而时间幅度转换技术来说，就是将时间转换为一定幅度的电压，并在快速模拟转化器的作用下完成数字转换，这样不仅防止了电路噪声的出现，还有效强化了分辨率，增强了一致性。如在某次实验中发现，在时间幅度转换技术的影响下，时间测量精度可以达到400ps以上。

同样，波形数字化技术的应用，也有效增强了信号信息输入速度，最大程度的减少了之间间隔，尤其是在高端示波器的作用下，既有效降低了时间精度抖动时频率，还强化了存储深度，如时间分辨率可以提升到12.5ps左右，但在利用该技术的过程中也要注意它的不足，即所需资金较大，复杂度较强。

其次，数字测量法。数字测量法中拥有游标卡尺技术、延迟线内插技术。其中游标卡尺主要被用来测量距离，保证距离精度良好，同样也可以被用来测量时间间隔情况。由于原有的游标卡尺有一定不足，需要应用振荡器，所以，后来也将延迟线应用到游标卡尺设计中，有效弥补了原有设计中的不足。随着时间的推移，游标卡尺逐渐成为量子通信中不可缺少的一部分。

而延迟线内插技术则是数字TDC技术中的中心技术，其中融合了很多延迟时间相同的单元，它们共同构成了一条链，通过采样待测时间增强传播长度，有效强化了实践间隔测量，随着延迟线内插技术的应用，量子通信的精密时间测量能力不断提升。

通过研究发现，在数字电路中，经常有很多因素在影响延迟单元的延迟时间，尤其是器件温度与电压所带来的影响较大，针对这种情况，锁相环技术等被应用其中，不仅有效强化了延迟时间稳定性，还增强了时间分辨率，时间分辨精度至少可以达到25ps。由此可见，这些技术的应用有很多好处。

三、结束语

通过以上研究得知，随着经济与科技的发展，人们逐渐提高了量子通信的要求，不仅要保证通信足够安全，还要强化时间测量精度，针对这种情况，就需要做好分析，联系实际情况对模拟测量技术与数字测量技术等多种时间测量技术展开研究，并找出这些技术的优缺点，有针对性的应用与解决，只有这样才能推进量子通信发展，以便为量子通信奠定坚实基础，增强量子通信的可行性与实用性，满足实际使用需求。

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