1、http 颐 / / www. laserjournal. cn收稿日期:2015-08-11基金项目:国家自然科学基金(61172138、61402529)、中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室基金(2012PNTT02)作者简介:黄红梅(1979-),女,湖北省随州市人,讲师,博士生,主要研究工作是量子导航技术、量子通信。 E-mail: 58102877 qq. com综合评述量子定位技术综述黄红梅1,2,许录平11.西安电子科技大学电子工程学院,西安摇 710071;2.武警工程大学,西安摇 710086摘摇要:量子定位技术(QPS)利用量子自身奇特的纠缠和压缩特性,可突破经典无
2、线电定位系统因信号的带宽和功率对定位精度的限制,提高定位精度。本文阐述了QPS的原理,重点介绍了用于实现QPS的关键技术如纠缠光子对的制备、量子时钟同步、光子探测技术三个方面的研究进展,随后介绍了QPS的应用领域,最后探讨了该技术中有待进一步研究的问题。关键词:量子定位系统;纠缠光子对;量子时钟同步;光子探测中图分类号:0365; 0367摇 摇文献标识码:A摇 摇 DOI编码:10郾 14016/ j. cnki. jgzz郾 2015郾 11郾 001Survey on Quantum Positioning SystemHUANG Hong-mei1,2,XU Lu-ping11. Sc
3、hool of Electronic Engineering, Xidian University, Xi爷an 710071, China;2. Armed Police Force Engineering, Xi爷an 710086,ChinaAbstract:Quantum entanglement and squeezing can be employed to overcome the classical power and bandwidthslimits in Quantum positioning system (QPS), enhancing their accuracy.
4、This paper expounds the principle of QPS, fo鄄cusing on research progress of the QPS key technologies of three aspects, such as the preparation of entangled two-photon, quantum clock synchronization, photon detection. Finally, QPS application fields are presented and the prob鄄lems to further studied
5、in this field are pointed out.Key words:quantum positioning system; entangled two-photon; quantum clock synchronization; photon detec鄄tion摇 摇人类导航定位技术,经历了自然天体导航、地磁场导航到近现代的惯性导航,无线电导航(陆基、星基等)、声呐、光学(激光、红外等)导航等阶段,尤其是GPS无线电导航技术的广泛运用,成为导航历史上的里程碑,卫星导航已经成为提高军队战斗力最有力的武器。美国交通部的一份评估报告强烈要求提高GPS的精度、可靠性及安全性。因此近年来研
6、究人员不断探索新的更高精度的导航定位技术,如基于X射线脉冲星导航定位技术1,2及基于量子的定位技术3-6等。量子定位技术(QPS)来发展的一种新型定位技术,是量子力学、量子信息学为定位技术开辟的一条新的思路。 QPS利用量子自身奇特的纠缠和压缩特性,可突破经典定位系统因信号的带宽和功率对定位精度的限制,达到更高的定位精度4。在传统的定位系统中(如GPS),通过向待测点重复的发送电磁波脉冲并计算到达时间的延迟来实现定位,时钟要同步必须有长时间的稳定,QPS的时空定位类似于传统的定位系统,但时钟同步仅需短暂的稳定。另外量子的测不准原理和未知量子态不可克隆定理使得量子定位技术具有天然的保密性,防止定
7、位中窃听者从目标位置获取信息,这有利于高保密场合的应用,因而QPS有巨大的研究价值和应用潜力。目前提出的QPS的思路有两种,分别是基于传统的定位系统的量子实现方案和干涉式量子定位系统,本文重点阐述了干涉式量子定位系统的定位原理,分析了两种定位方案的特点,探讨了涉及到的三个关键技术:量子态的制备、量子时钟同步、单光子探测,指出QPS的应用领域,最后对QPS定位中有待进一步研究的问题进行了展望。1摇 QPS定位原理及其研究进展1郾 1摇 QPS技术的研究进展QPS的概念最早是在2001年的nature杂志上1黄红梅等:量子定位技术综述激光杂志2015年第36卷第11期摇 摇 摇 摇 LASER J
8、OURNAL(Vol郾 36. No郾 11郾 2015)ChaoXinghttp 颐 / / www. laserjournal. cn由美国MIT实验室的V. Giovannetti博士提出4,通过计算证明了量子纠缠和压缩特性可进一步提高定位精度1MN(M、N分别是脉冲个数和光子个数)。这个思路是将传统的定位系统进行量子实现,该方案中精度提高的同时对光子在传输和探测过程中带来的损耗也更敏感,当一个或多个光子不等到达,可能不能获得任何时间信息,折中的办法是采用部分纠缠态,虽稍降低了精度但对损耗的容忍度提高了。 2002年V. Giovannetti博士提出了量子保密定位的思想,分析了两种用于
9、保密定位的协议6,该协议基本内容与量子密钥分配的BB84协议类似。 2004年,美国ARL实验室的Thomas B. Bahder博士首先提出了干涉式量子定位系统模型3,分析其几何精度因子,讨论了QPS系统在地基和空基应用的场景,计算得出在空基方案中,参考点位于低轨道卫星上,由于受大气影响小,当光学延迟的标准差为1郾 0微米时,定位精度可达1厘米。这个思路利用了光子的相干性,是基于纠缠双光子的干涉式量子定位系统。同时有关量子力学可提高测量精度的理论也被研究。 V. Giovannetti博士带领的小组在2004年science杂志上提出量子增强测量的理论5。 G. Mauro D爷Ariano
10、等人研究表明使用量子纠缠能提高测量的稳定性和精度7。文献8用实验证实了量子信号在自由空间和地球之间传播的可行性,为QPS的实现推进了一步。目前国内有关QPS的报道还很少,文献9最早介绍QPS定位原理分析了潜在优势。文献10,11从干涉式量子定位的星座分布情况研究了影响定位精度的两个因素,探讨了GPS和干涉式QPS定位技术联合实现高精度定位的方案。文献12分析了脉冲激光宽度及纠缠光子的相干性对定位精度的影响,探讨了域型参量下转换如采用脉冲激光产生纠缠光子对,随着脉冲激光宽度的增加,纠缠光子的相干性下降,定位精度也下降。我们对QPS信号经大气空间的传输衰耗特性进行了分析,得出了不同波长在不同通信距
11、离下信号的衰减,计算了相同波长不同能见度下QPS定位的距离13。现已有的国外的研究主要是对量子增强测量精度理论的探讨,国内只是针对Thomas B. Bahder博士提出的定位模型从基线的分布和纠缠光子的相干性对定位精度的影响进行了理论上的分析,具体相关的技术还有待进一步开展。1郾 2摇 QPS定位原理Thomas B. Bahder博士提出的干涉式量子定位系统3,于2008年成功地申请到了专利14。具体描述如下:方案定义了六颗空间位置已知的卫星(参考点)位于三条独立的基线对两端,每条基线对构成一个双曲面,如图1所示,用户的位置是三个双曲面的交点,通过测量用户到参考点(已知卫星)的到达时间延迟
12、进行定位,整个QPS系统有四个双光子源、角反射器、四个分束器、光延迟单元和四个双光子符合计数器HOM(Hong-Ou-Mandel)干涉仪等单元组成。其中的三个干涉仪共同实现对用户定位,还有一个干涉仪在特定的参照系中用于实现时钟的同步。(a)量子定位方案(b)量子定位系统中的一条基显示图1摇干涉式量子定位系统原理为实现对目标的定位通常采用向目标发送电磁脉冲信号,计算脉冲信号达到的时间延迟(Time OfArrive)来确定需定位目标的位置,对于量子定位技术来说,此时发送的是量子信号。纠缠光子源发送纠缠双光子信号经极化分束器(PBS)将两个光子信号分别传至R1,R2处,经R1,R2处反射器反射至
13、用户,用户携带有角反射器,将光子信号按原路返回至发送端,经50:50的分束器(BS)分束后传递给两个探测器D1和D2,最后信号进行符合计数,两路光信号路径相同,除了一条路径包含一个光线延迟单元D,用于调整光信号的传输时间驻ti =(n-1)di / c,(i=1,2,3),使得两路光子同时达到符合计数单元,HOM干涉仪达到平衡,当三个HOM干涉仪都平衡时,得到式(1)的等量关系。r1-R1 + R1-r0 = r1-R2 + R2-r0 +(n-1)d(1)2黄红梅等:量子定位技术综述激光杂志2015年第36卷第11期摇 摇 摇 摇 LASER JOURNAL(Vol郾 36. No郾 11郾
14、 2015)ChaoXinghttp 颐 / / www. laserjournal. cn若纠缠光子源位于基线中点,则(1)式可进一步化简得到R1-r0 = R2-r0 +(n-1)d (2)其他两条基线对有相同的结论,QPS系统中三个用于定位的HOM干涉仪都处于平衡时,就可得到R1-r0 = R2-r0 +(n-1)d1R3-r0 = R4-r0 +(n-1)d2R5-r0 = R6-r0 +(n-1)d3(3)这样我们可以通过解上述联立方程组得到用户的位置,其中di(i=1,2,3)是光学延迟单元测量得到。干涉式量子定位系统还可有另外一种设计,即将50:50的分束器、单光子探测器、符合计
15、数器和光延迟单元放置在用户端,用户控制光延迟单元,测得延迟(n-1)di/ c,从经典信道接收到各基线端点的坐标值,通过方程组(3)得到自己的位置。V. Giovannetti博士提出的QPS方案是基于传统的定位技术的量子实现方案,如在GPS定位系统中将电磁信号改为发送量子脉冲信号,每个脉冲包含N个压缩和M个纠缠的光子,量子力学的特性将使得测量的时间精度比传统手段提高1MN。干涉式量子定位系统需要的量子信号是纠缠光子对,纠缠光子的特性影响定位的精度,基于传统的定位系统的量子实现方案的量子信号是多光子的压缩纠缠态,压缩纠缠光子的个数直接影响定位精度。目前,QPS的研究仍处于起步阶段,还没有其他可
16、行方案的提出。 MIT的研究人员已完成了一对光子的简单QPS技术演示,建立了QPS的桌面原型,以10米远的距离来测试系统,通过实验验证了QPS相比于传统定位系统在精度上的可能提升,这并不意味着QPS在不久的将来便能取代GPS。2摇 QPS的关键技术量子定位技术(QPS)涉及到天文、数学、物理、通信等众多学科,要实现其应用,必须相关技术的同步发展。但目前这些技术还不能给予足够支持,因此量子定位技术还处在理论研究和实验阶段,要解决的关键技术主要在以下几个方面。2郾 1摇量子时钟同步(QCS)QCS提出源于成对量子如光子或原子的量子纠缠现象:无论一对纠缠量子对相距多远,只要其中一个量子的状态发生改变
17、,另一个量子的状态也会随之改变。 2000年Jozsa等人15提出的QCS方案是基于纠缠的量子对|渍业AB = 12 ( |01业AB-|10业AB) (4)这个方案的前提条件是假设同步双方共享(4)式所示的双光子纠缠态,如果条件满足,不管同步双方相隔多远,其手中的量子钟都能保持精确的同步状态。但Yurtsever和Burt对该前提条件的成立提出了质疑,指出这个QCS方案是不完备的16,17。几乎同时,John提出时钟同步的量子协议并分析通过蒸馏纠缠和纠错提高其鲁棒性18。 IBM Almaden的研究中心的Chuang提出了分布式QCS算法19,这个算法相对比较复杂。 2004年清华的Zha
18、ng等人将该算法用于一个三比特核磁共振量子系统实验中进行了实现20,2006年Wu等人给出了用线性光学手段实现该算法的方案21。马里兰大学的Alejandra等人用实验证实了基于纠缠光子对远距离时钟同步的原理22,并得出在3公里的距离范围可达到皮秒分辨率的结果,该实验也说明了利用量子的纠缠态可实现高精度的定位与时钟同步。 V. Giovannetti博士在提出QPS概念的同时也论证了量子增强定位精度的理论,并对QCS技术做了深入研究,给出了量子时钟同步消色散的“传送带时钟同步冶方案,并通过实验进行了验证23-24,但是该方案的硬件设备较复杂。文献25基于N粒子W态提出最优化的多方QCS方案,但
19、N粒子W态的制备很困难,因此该方案目前很难实现。国内谢端提出利用MZ干涉仪结构的量子时钟同步理论方案,不需要传递实体钟和测量脉冲到达时间,因此不受重力势的影响,能抗色散影响,可达到更高的精度要求26,然而该方案中需要两条完全相同的光路,这对于远程量子通信来说非常难于实现。2郾 2摇双光子纠缠态的制备QPS的实现是利用了量子的纠缠特性,该特性在量子密钥分配(QKD,Quantum Key Distribution),量子隐形传态( Quantum Teleportation),量子秘密共享(QSS,Quantum Secret Sharing)等中有重要的应用。目前已有多种可行的方案被提出,如线
20、性光学系统27、腔- QED28、离子阱29、原子系统30、量子点31等。其中线性光学系统研究的最为成熟,主要是采用参量下转换过程制备光子纠缠态。文献3中QPS方案是干涉式量子定位技术,每对基线中间发送的是纠缠双光子,调整光学延迟单元,使双光子同时到达符合计数器,HOM干涉仪达到平衡。建立方程,解出用户的位置,而文献4中,类似与传统的GPS系统,只不过由原来的无线电磁波改为发送纠缠光子,根据到达的时间延迟测得用户位置信息(这个过程跟GPS相同)。下面对双光子纠缠态3黄红梅等:量子定位技术综述激光杂志2015年第36卷第11期摇 摇 摇 摇 LASER JOURNAL(Vol郾 36. No郾
21、11郾 2015)ChaoXinghttp 颐 / / www. laserjournal. cn的制备进行分析。目前被广泛采用的最基本的方法是利用自发参量下转换产生的光子对,该方法可以制备出多种形式的双光子纠缠态,如:偏振32,33、空间34、时间35,36纠缠。其中,偏振纠缠因其易制备、易操作的特点最常用,一般采用域型参量下转换制备,但这种方法的效率很低,一般需要大约1010个泵浦光子才能产生一个纠缠光子。因此现在的工作主要集中在:一提高参量下转换的产生效率,可对泵浦光进行适当的聚焦37,利用共振腔38,使用周期性极化介质39,光子晶体光纤40来代替传统的块状晶体等。二提高参量光的收集效率
22、。可对参量光的空间模式进行模拟,整形,从而使之能与收集光纤的模式匹配41。中科大利用Beam-like方法,制备出了亮度大约是同行在同等泵浦光条件下三倍的双光子偏振纠缠42。国际上目前最新的进展还只能实现同时产生三对光子43,44。目前制备的纠缠光子还很难达到实际应用,包括现在发展最成熟的量子密钥分发大部分是基于单光子的量子特性来实现的,这与量子纠缠态的制备、存储、测量及纠缠度的稳定都有直接的关系。纠缠光子对的制备是实现QPS的基础,但纠缠光子对的特性对于定位精度的影响纠缠度对量子定位精度的影响,量子的纠缠和压缩特性都可提高定位精度,哪种对定位精度的影响更大,量子信号特性与定位精度改善的关系,
23、最大纠缠态受噪声影响大,采用部分纠缠态,这两者如何达到一种平衡等问题还有待分析。2郾 3摇单光子信号的探测单光子探测技术在量子计量学和量子信息处理、量子密钥分配等等中都有重要的应用,对其技术的研究全球都投入了大量的人力物力。在QPS定位方案中,两路纠缠光子信号分别采用单光子探测器进行探测,然后进行符合计数处理,若两边光子同时到达光子探测器,HOM干涉仪到达平衡,可实现定位。光子探测器起了非常重要的作用,光子信号探测的效率直接关系到定位精度的高低。传统的单光子探测器有单光子雪崩光电二极管和光电倍增管,后者是最成熟的单光子探测器件,探测面积大(直径可达20英寸),灵敏度高、噪声低,但受光电阴极材料
24、的限制,其量子效率相对较低,最高约为40%(GaAsP光电阴极)。通常工作在紫外及可见光波段,为提高时间分辨率和降低后脉冲效应,出现了采用单级倍增结构的微通道板光电倍增管、通道光电倍增管和混合结构光电探测器46。单光子雪崩光电二极管属于半导体材料的固态探测器,虽然探测面积较小,但探测效率高,功耗小,时间分辨率高,因此比光电倍增管应用更加广泛。典型的有:硅单光子雪崩光电二极管(Si SPAD)、In鄄GaAs/ InP雪崩光电二极管。由于硅材料的禁带宽度比较大,因此Si SPAD的光频响应上限只有1100nm,为实现在通信波长1310nm和1550nm单光子响应,采用了InGaAs/ InP材料
25、。 InGaAs作为吸收层,InP作为倍增层47,其光谱响应范围是900nm 1700nm。高性能的InGaAs/ InP雪崩光电二极管已经成为光纤量子密钥分配系统最实用化的探测器,同样也可应用在QPS技术中的光子探测中。量子信息技术的发展要求探测器的探测效率接近100%,同时具有光子数分辨能力和极低的暗计数48,但传统的探测器很难实现。因而出现了以低温超导材料制作的新型单光子探测器,性能比传统的单光子探测器有了本质性的提升。目前的超导单光子探测技术主要有两种:一是利用超导临界电流密度变化实现单光子探测,二是基于超导临界温度跃迁的单光子探测技术。 2010年,英国科学家研制出新型单光子探测器系
26、统,该探测系统采用了革命性的超导单光子探测器技术,是一种基于超导纳米线SN SPD(su鄄perconducting nanowire single photon detector)的新型超快红外单光子探测器,在红外灵敏度、信噪比和时间分辨率等性能方面,要远远优于普通类型的探测器。新型超导低温单光子探测器相比传统的单光子探测器,探测效率极高、暗计数极低、时间分表率高等,但工作温度极低,制作相对困难。近来出现的量子点的单光子探测技术,可实现非常低的暗计数率和自旋光探测49,50,这对应新兴的量子存储和量子中继技术也许非常有用。新型的单光子探测器性能优越但需工作在低温环境,因而离实用化还有一段距离
27、。3摇总结与展望量子定位技术利用量子自身的纠缠和压缩特性可进一步提高定位的精度,它可以给导航卫星提供长时间高精度的导航定位,能提高卫星导航定位的准确性与信息传输的高保密性。可用于地面静止或移动目标(如建筑物、汽车、人等)的定时、定位。也可用于近地轨道航天器的导航、深空和行星际飞行航天器、天体着陆器及其表面巡游器的高精度自主导航定位等领域。作为一种新兴技术,可行性以及可提高精度的性能都已经得到了验证。但2001年自该概念和模型相继被提出至今,QPS技术的研究进展却非常缓慢,分析其原因主要有以下几点:4黄红梅等:量子定位技术综述激光杂志2015年第36卷第11期摇 摇 摇 摇 LASER JOUR
28、NAL(Vol郾 36. No郾 11郾 2015)ChaoXinghttp 颐 / / www. laserjournal. cn(1)QPS定位技术的实现需依赖量子信号,量子信号的制备本身也是一项在不断探索的新技术,量子信号制备技术制约了QPS相关实验的开展;(2)量子信号制备完成后,将其应用到QPS中需要有相应的量子器件对量子信号进行处理、操控、存储等,且量子信号的纠缠特性易受外界环境的影响,如何很好地解决这些问题也是有待研究的;(3)量子信号非常微弱,需要高效率、高灵敏度的探测器,才能准确接收,传统的探测器的性能满足不了要求,高性能的单光子探测器目前还没到实用化的阶段。量子信息技术的飞
29、速发展,促使了量子器件和量子信号的制备、操控、存储相关技术的发展,这些技术的解决将对QPS的研究提供有力的技术支持。针对目前制约该领域发展的因素,除了对关键技术要继续深入研究外,未来的发展还需解决以下几个方面的问题:(1)完整系统框架的搭建目前对于QPS的实验还是处于桌面阶段,没有一套完整的系统框架。理论框架应包括:纠缠态的制备方案;卫星基线对架设的情况;角反射器、HOM干涉仪、符合计数器等设备的选择、抗噪声措施(光子的损失)、多用户使用的协议等;(2)空间QPS信号纠缠态的保持要进行远距离的量子信号传输,如何在长距离下保持纠缠双光子的相干性,维持量子纠缠系统的稳定也是有一定难度的;(3)QP
30、S导航技术与现有导航的技术的融合QPS技术的发展需要一定的时间,而且现有的导航技术已经发展的非常成熟,在未来的很长一段时间里,将是QPS技术与现有导航技术共存的局面。目前,QPS导航定位技术的主要研究单位是MIT实验室,在导航战的背景下,制导的主动权对战争胜负起着决定性的影响。尽管,QPS技术面临的难题很多,我们也应迎难而上,积极开展有关QPS定位技术的项目研究,在高精度导航定位领域占据一席之地,这不仅是现阶段科学技术研究需要,更是国防建设和经济建设的战略需求。参考文献1摇谢强,许录平,张华,等.脉冲星导航解周期模糊匹配搜索算法J.系统工程与电子技术,2011. 33(11):2496-250
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