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Time Tagger Ultra 產品在八節點城域量子通信網絡中的應用介紹

2021-11-161227次

量子通信網絡因其依賴于光量子特性，被認為是更加安全的通信網絡。2017年，世界首條長達2000公里的量子保密通信干線—— “京滬干線”建成開通，實現量子通信網絡的成熟應用正在成為國際學術界競相追求的目標。

量子通信網絡因其依賴于光量子特性，被認為是更加安全的通信網絡。2017年，世界首條長達2000公里的量子保密通信干線—— “京滬干線”建成開通，實現量子通信網絡的成熟應用正在成為國際學術界競相追求的目標。然而，為實現多節點的量子通信網絡，需要大量昂貴的硬件設施保證參與者之間的相互連接，一方面增加了網絡構建的成本，另一方面因多個硬件參與導致系統風險升高。近日，英國、奧地利、克羅地亞和中國的科研團隊提出了一種城域范圍內無可信中繼的新型量子糾纏分發網絡，并在實驗中得以實現。這一新型架構有望拓展為更大規模的量子通信網絡。相關研究成果發表于9月2日出版的Science Advance, DOI: 10.1126/sciadv.aba0959。

圖1 Science Advance發表的文章截圖（來源：advances.sciencemag.org/）

英國布里斯托爾大學Siddarth K. Joshi帶領的研究團隊利用光纖將8個節點與偏振糾纏光子對源相連，該星型拓撲結構的任意兩個節點之間都存在糾纏關聯而無需可信節點。通過密集波分復用（Dense wavelength-division multiplexing, DWDM）技術，根據光子波長的差異將光子從單個激光器中分開而不必復制整個通信系統，這樣用戶僅需關注特定波長的光子，而忽略其他光子，就可以有效減少硬件數量、并向更大規模的網絡拓展，大幅降低了量子通信網絡的建構成本和安全風險。

圖2 波分復用和多路分解的示意圖和實驗中布里斯托爾市的用戶分布及節點的測量設備。（來源：advances.sciencemag.org/）

在這項研究中，網絡中的量子加密由中央源產生的光子對實現，光子由光纖分配給不同節點。兩個節點要進行通信，則必須找到同時到達的光子，即糾纏光子對。其中，使用精準的“時間標記器”（亦即“時間數字轉換器”，Time-to-Digital Converter）測量各節點的光子接收到的時間對于實驗實施至關重要。在這項研究中，科研人員選用德國Swabian Instruments生產的18通道Time Tagger Ultra讀取、記錄超導納米線單光子探測器檢測到的光子信號（如上圖B中所示）。

德國Swabian Instruments致力于開發、提供數字信號采集處理的通用解決方案。Time Tagger 系列產品時間抖動低至9 ps，死時間僅有2 ns，優異的時間分辨率可與絕大多數高分辨單子探測器適配，能夠廣泛應用于要求苛刻的量子物理、固體物理和生物高分辨成像實驗。Swabian Instruments提供MATLAB，LabVIEW，python，C＃，C/C++在內的多種語言/架構，方便用戶選用自己喜歡的編程語言來獲取、分析數據，免費本機庫和代碼示例也為用戶個性化實施實驗提供了便利。以硬件為基礎的條件過濾器僅捕獲與實驗測量相關的探測信息，從而可以大幅提高有效數據傳輸。此外Swabian Instruments最近發布的信號同步裝置Synchronizer可同步處理8組Time Tagger Ultra，最多144個通道的輸入信號，為大規模實驗應用做好準備。

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