量子定位技术综述

http颐//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:[e-mail]·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æèçöø÷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001SurveyonQuantumPositioningSystemHUANGHong-mei1,2,XULu-ping11.SchoolofElectronicEngineering,XidianUniversity,Xi爷an710071,China;2.ArmedPoliceForceEngineering,Xi爷an710086,æèçöø÷ChinaAbstract:QuantumentanglementandsqueezingcanbeemployedtoovercometheclassicalpowerandbandwidthslimitsinQuantumpositioningsystem(QPS),enhancingtheiraccuracy.ThispaperexpoundstheprincipleofQPS,fo鄄cusingonresearchprogressoftheQPSkeytechnologiesofthreeaspects,suchasthepreparationofentangledtwo-photon,quantumclocksynchronization,photondetection.Finally,QPSapplicationfieldsarepresentedandtheprob鄄lemstofurtherstudiedinthisfieldarepointedout.Keywords:quantumpositioningsystem;entangledtwo-photon;quantumclocksynchronization;photondetec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LASERJOURNAL(Vol郾36.No郾11郾2015)ChaoXinghttp颐//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ThomasB.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.MauroD爷Ariano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ThomasB.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ThomasB.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(TimeOfArrive)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LASERJOURNAL(Vol郾36.No郾11郾2015)ChaoXinghttp颐//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)dìîíïïïï3(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,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]。IBMAlmaden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Zhang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