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Time Tagger Ultra 产品在八节点城域量子通信网络中的应用介绍

2021-12-15882次

量子通信网络因其依赖于光量子特性，被认为是更加安全的通信网络。2017年，世界首条长达2000公里的量子保密通信干线—— “京沪干线”建成开通，实现量子通信网络的成熟应用正在成为国际学术界竞相追求的目标。

量子通信网络因其依赖于光量子特性，被认为是更加安全的通信网络。2017年，世界首条长达2000公里的量子保密通信干线—— “京沪干线”建成开通，实现量子通信网络的成熟应用正在成为国际学术界竞相追求的目标。然而，为实现多节点的量子通信网络，需要大量昂贵的硬件设施保证参与者之间的相互连接，一方面增加了网络构建的成本，另一方面因多个硬件参与导致系统风险升高。近日，英国、奥地利、克罗地亚和中国的科研团队提出了一种城域范围内无可信中继的新型量子纠缠分发网络，并在实验中得以实现。这一新型架构有望拓展为更大规模的量子通信网络。相关研究成果发表于9月2日出版的Science Advance, DOI: 10.1126/sciadv.aba0959。

英国布里斯托尔大学Siddarth K. Joshi带领的研究团队利用光纤将8个节点与偏振纠缠光子对源相连，该星型拓扑结构的任意两个节点之间都存在纠缠关联而无需可信节点。通过密集波分复用（Dense wavelength-division multiplexing, DWDM）技术，根据光子波长的差异将光子从单个激光器中分开而不必复制整个通信系统，这样用户仅需关注特定波长的光子，而忽略其他光子，就可以有效减少硬件数量、并向更大规模的网络拓展，大幅降低了量子通信网络的建构成本和安全风险。

图2 波分复用和多路分解的示意图和实验中布里斯托尔市的用户分布及节点的测量设备。（来源：advances.sciencemag.org/）

在这项研究中，网络中的量子加密由中央源产生的光子对实现，光子由光纤分配给不同节点。两个节点要进行通信，则必须找到同时到达的光子，即纠缠光子对。其中，使用精准的“时间标记器”（亦即“时间数字转换器”，Time-to-Digital Converter）测量各节点的光子接收到的时间对于实验实施至关重要。在这项研究中，科研人员选用德国Swabian Instruments生产的18通道Time Tagger Ultra读取、记录超导纳米线单光子探测器检测到的光子信号（如上图B中所示）。

德国Swabian Instruments致力于开发、提供数字信号采集处理的通用解决方案。Time Tagger 系列产品时间抖动低至9 ps，死时间仅有2 ns，优异的时间分辨率可与绝大多数高分辨单子探测器适配，能够广泛应用于要求苛刻的量子物理、固体物理和生物高分辨成像实验。Swabian Instruments提供MATLAB，LabVIEW，python，C＃，C/C++在内的多种语言/架构，方便用户选用自己喜欢的编程语言来获取、分析数据，免费本机库和代码示例也为用户个性化实施实验提供了便利。以硬件为基础的条件过滤器仅捕获与实验测量相关的探测信息，从而可以大幅提高有效数据传输。此外Swabian Instruments最近发布的信号同步装置Synchronizer可同步处理8组Time Tagger Ultra，最多144个通道的输入信号，为大规模实验应用做好准备。

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