（通信与信息系统专业论文）高速智能光子符合仪的研制.pdf

摘要 摘要 量子信息科学是信息科学发展的里程碑之一，它是量子力学与信息科学相互 融合的产物。目前，在量子信息科学各领域的研究中，电子学和计算机技术仍是 其非常重要的辅助手段。在量子通信及信息处理中，信息的采集、处理、控制和 表示几乎都要利用电子学方法来实现。本文研制的光子符合仪就是利用现代电路 和计算机技术实现的量子通信和信息处理中最常用、最重要的测试仪器。另外， 偏光镜也是量子通信中不可或缺的基本光学设备，它用于控制收发双方光子的极 化方向( 或传输方向) ，因此精确控制偏光镜的位置方向是非常重要的。 本文对光子符合仪的物理意义和原理进行了调研和分析，提出了高速智能光 子符合仪的设计方案，并对此方案中的关键技术进行了研究，利用现代集成电路 技术、计算机技术使该方案具体化、可实现化。 本文研制的光子符合仪利用了高速e c l ( 发射极耦合逻辑) 电路捕获、采集 由单光子探测器转换输出的电子窄脉冲，并做符合测量后送往高速缓冲器。采用 f p g a 大规模可编程器件对高速缓冲器中记录的原始数据进行预处理，并通过 u s b 2 0 高速计算机外设接口送往主机进行实时监测、再处理、分析和存储。本 文给出了光子符合仪硬件电路的设计原理和电路实现，给出了软件的控制流程和 程序设计。另外，本文为偏光镜的精确控制研制了自动控制系统，可以通过软件 控制偏光镜以不同方向和角度精确地旋转。 本文研制的符合仪具有高速、多通道、实时监测、符合窗口窄等优点。测试 结果表明，光子符合仪的硬件部分和软件部分均达到设计要求。另外，此符合仪 还可以和偏光镜自动控制系统协同工作，精确控制被测光路中的光子传输方向， 实现了无人值守的智能测试控制系统。 关键词：量子信息光子符合符合窗口单光子探测器偏光镜 a b s t r a c t a b s t r a c t q u a n t u mi n f o r m a t i o ns c i e n c ei so n eo ft h em i l e s t o n e so ft h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o ns c i e n c e i ti sar i s i n gi n t e r d i s c i p l i n a r yf i e l dt h a tc o m b i n e sq u a n t u m m e c h a n i c sa n di n f o r m a t i o ns c i e n c e n o w a d a y s ，e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n i q u e s a r es t i l lv e r yi m p o r t a n ts u p p l e m e n t a r ym e a n sf o rr e s e a r c hi nf i e l do ft h eq u a n t u m i n f o r m a t i o ns c i e n c e i nt h eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s y s t e m s ，i n f o r m a t i o ns a m p l i n g ，p r o c e s s i n g ，c o n t r o l l i n ga n dp r e s e n t a t i o na r ea l m o s t i m p l e m e n t e db yt h e e l e c t r o n i cm e t h o d s t h ep h o t o nc o i n c i d e n c e i n s t r u m e n t d e v e l o p e di n t h i st h e s i s ，w h i c hu t i l i z e sm o d e mc i r c u i tp r i n c i p l ea n dc o m p u t e r t e c h n i q u e s ，i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m m o nm e a s u r ei n s t r u m e n ti nt h e q u a n t u mc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m s i na d d i t i o n ，p o l a r i z e ri s an e c e s s a r ya n de l e m e n t a r yo p t i c sd e v i c ei nq u a n t u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c h c a nc o n t r o lt h ed i r e c t i o n so fp h o t o np o l a r i z a t i o n ( o rt r a n s m i s s i o n ) f o rb o t ht r a n s m i t t e r a n dr e c e i v e r s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt op r e c i s e l yc o n t r o lt h el o c a l i z a t i o no ft h e p o l a r i z e r b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ep h y s i c a lm e a n i n g sa n dp r i n c i p l eo ft h e p h o t oc o i n c i d e n c ei n s t r u m e n t ，t h ed e s i g n o fah i 曲一s p e e d i n t e l l i g e n tp h o t o n c o i n c i d e n c ei n s t r u m e n ti sp r e s e n t e d t h ec r i t i c a lt e c h n i q u e so fo u rd e s i g nh a v eb e e n s t u d i e d ，a n di th a sb e e nr e a l i z a b l ew i t hm o d e mi ca n dc o m p u t e rt e c h n i q u e s t h ep h o t o nc o i n c i d e n c ei n s t r u m e n tc a p t u r ea n ds a m p l et h en a r r o wp u l s ef r o ma s i n g l ep h o t o nd e t e c t o rb yu s i n gh i 曲一s p e e de c l ( e m i t t e rc o u p l e dl o g i c ) c i r c u i t ，a n d t h e ns e n dt h ed a t at oah i g h - s p e e db u f f e r t h el o g i cc i r c u i ti nf p g ap r e p r o c e s st h e r a wd a t ai nt h eh i g h - s p e e db u f f e ra n ds e n dt h e mt o c o m p u t e rt h r o u g hu s b2 0 h i 曲- s p e e di n t e r f a c ef o rr e a l t i m em e a s u r i n g ，r e p r o c e s s i n g ，a n a l y z i n ga n ds t o r i n g w e d e s c r i b et h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h eh a r d w a r eo ft h ep h o t o nc o i n c i d e n c e i n s t r u m e n t ，p r e s e n tt h ec o n t r o lf l o wa n dd e s i g no fi t ss o f t w a r e f u r t h e r m o r e ，w ea l s o d e v e l o pa na u t o c o n t r o ls y s t e mt oc o n t r o lt h ep o l a r i z e r , w h i c hc a nb ep r e c i s e l yr o t a t e d i nd i f f e r e n td i r e c t i o n sa n da n g l e su n d e rt h ec o n t r o lo ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h e p h o t o nc o i n c i d e n c ei n s t r u m e n th a st h ef e a t u r e so fh i g h - s p e e d ，m u l t i c h a n n e l ， r e a l t i m em e a s u r i n ga n dn a r r o wc o i n c i d e n c ew i n d o w t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e t h a tt h ep e r f o r m a n c e so ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ep h o t o nc o i n c i d e n c es a t i s f y t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h ep h o t o nc o i n c i d e n c ei n s t r u m e n tc a nb ec o o p e r a t e d i i a b s t r a c t w i t ht h ea u t o c o n t r o ls y s t e mf o rp o l a r i z e r , w h i c hc a l lp r e c i s e l yc o n t r o lt h ed i r e c t i o no f t h ep h o t o ni nt h ed e t e c t e do p t i c ss y s t e m , s oa l lu n a t t e n d e da n di n t e l l i g e n tm e a s u r e s y s t e mc a l lb ee s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：q u a n t u mi n f o r m a t i o n ，p h o t o nc o i n c i d e n c e ，c o i n c i d e n c ew i n d o w , s i n g l e p h o t o nd e t e c t o r , p o l a r i z e r i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本入声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：李童l 丕 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 曰么开口保密( 年) 作者签名：乏陋 签字醐：粕尸毕 导师签名： 签字日期： 第l 章绪论 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代，正当电子计算机以摩尔定律快速发展之际，物理学家们却 在思考摩尔定律是否会终结? 答案是肯定的，且量子计算机可望取而代之成为新 时代的计算工具。正是由于他们孜孜不倦的努力，终于诞生了量子信息科学这门 新兴交叉学科。量子信息基于量子特性而具有独特的信息功能，在提高运算速度、 确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面，都具有突破现有经典信息 系统极限的能力。因而量子信息科学具有巨大的潜在应用和科研价值，得到了各 国政府、科技界及军事部门的高度关注和重视。量子信息科学是目前最具吸引力 的前沿领域之一，已成为国际学术界研究的热点。 1 1 量子信息科学概述 量子信息是信息科学与量子力学相结合的新兴交叉学科，开拓了量子力学应 用的新天地，为2 1 世纪信息科学的发展提供了新的原理和方法。 著名物理学家f e y n m a n 曾指出：量子力学的精妙之处在于引入量子态的概 念。事实上，量子世界的各种复杂的特性正是源于这个量子态。且量子理论发展 过程中，长期争辩的焦点也在这个量子态上。最终量子信息科学就是采用这个奇 妙的量子态作为信息单元：量子比特。 与经典信息论不同，量子比特是两态量子系统的任意叠加态。定义二维 h i l b e r t 空间总的任意态矢i ) 为一个二进制基本量子比特，以l o ) 和1 1 ) 为二维 h i l b e r t 空间的基失，则量子比特i ) 可表示为： i = c o i o ) + c il l ，i 岛1 2 + 。= 1 ，c o 、c i 为复数 ( 1 1 ) 经典比特可以看成是量子比特的特例( c o = 0 或c 。= 0 ) 。 量子比特的物理载体是任何两态的量子系统，如光子、电子、原子、原子核 等等。一旦用量子态来表示信息，便实现了信息的“量子化”，于是信息的变化 过程必须遵从量子物理原理。如量子信息的传输是指量子态在通道中的传送，量 子信息处理是指对量子态进行相应的幺正变换，而量子信息提取则是指对量子信 息系统进行测量。 因此，量子世界的奇妙特性( 如叠加性、相干性、纠缠性和不可克隆等) 会 在量子信息变化过程中发挥出重要作用，使量子信息系统可突破经典信息系统的 极限。如，量子计算机可在极短时间内攻破现有的密码体系。与经典信息可以克 隆的特性不同，量子信息的基体是量子纠缠，而量子纠缠是不可克隆的，但可以 第1 章绪论 把时空中的任意两点联系起来。因此量子信息的传输是绝对安全的。 量子信息科学主要包括量子通信和量子计算，下面简要介绍这两方面的基本 概念和理论。 1 1 1 量子通信 量子通信是量子信息学的一个重要分支。自1 9 9 3 年美国i b m 的研究人员提 出量子通信理论以来，量子通信已成为- f - j 趋于应用的、相对成熟的量子信息技 术。在量子通信中，除了要建立经典的通信信道外，更重要的是要建立通信各方 之间的量子信道。实际上量子信道就是通信各方之间的量子纠缠。量子纠缠在通 信中的应用包括用量子信道传送经典信息比特的“量子密集编码 、传送量子态 的“量子隐形传态 以及信息保密所传送的“绝对安全的量子密码”等，创造了 经典信息理论无法想象的奇迹。下面简要介绍量子通信中的几个基本概念。 1 量子纠缠：早在1 9 3 5 年，e i n s t e i n 、p o d o l s k y 和r o s e n 提出的著名e p r 佯廖( 1 9 3 5 ) 中已经提到量子纠缠态的想法，但当时并没有人洞悉纠缠态的全部 含义。直到数十年后，量子纠缠的含义才逐渐地被发掘出来( 郭光灿等，1 9 9 9 ) ， 成为量子信息领域中最重要的资源。量子纠缠是存在于多子系的量子系统中的一 种奇妙现象，即对一个子系统的测量结果无法独立于对其它子系统的测量参数。 或者说，当两个或多个粒子处于纠缠态时，对其中的一个粒子进行操作，其它的 纠缠粒子不管位于何处，其量子态会立即产生相应的变化。 2 量子不可克隆定理：1 9 8 2 年，w o o t t e r s 和z u r e k 在自然上发表的一 篇短文( w o o t t e r se ta l ，1 9 8 2 ) 中提出这样一个问题：是否存在一种物理过程，实 现对一个未知量子态的精确复制，且使每个复制态与最初量子态完全相同? 其在 文中还证明，量子力学的线性特性是禁止这样的复制的，这就是量子不可克隆定 理的最初表述。就其具体内容可以从三个方面表述： 1 ) 不存在任何物理过程，能做出两个不同的非正交态的完全复制。 2 ) 量子系统的任意未知量子态不能被完全复制。 3 ) 要从编码在非正交量子态中获得信息，这些量子态不遭破坏是不可能的。 量子不可克隆定理是量子力学的固有特性，是量子信息科学的重要基础之 一。量子信息是以量子态为信息载体( 信息单元) 的。因此，量子态不可精确复 制是量子密码术的重要前提，它确保了量子密码的安全性，使窃听者不可能采用 克隆技术来获得合法用户的信息。 3 量子密钥分配：保密通信依赖于密钥，如果发送者a l i c e 和接收者b o b 拥有他们自己才知道的私人密钥，就可进行保密通信。a l i c e 用密钥对要发送的 信息编码后再发给b o b ，b o b 收到后用密钥解密后就可提取相应的信息。此保密 第l 章绪论 通信的关键是密钥的保密性( 李承祖等，2 0 0 0 ) 。在经典通信中尽管采用各种数 学处理，但原则上都是可以破译的。因此，经典密钥绝对保密是做不到的。然而 在未知量子态不可克隆定理的基础上，量子通信是可以做到密钥的绝对保密。量 子密钥分配的方案一般有： 1 ) 基于两种共轭基的量子密钥分配方案：其代表为b b 8 4 协议( b e n n e t te t a l ，1 9 8 4 ) 。 2 ) 基于两个非正交的两态量子密钥分配方案：其代表为b 9 2 协议 ( b e n n e t t ，1 9 9 2 ) 。此方案的特点是：任何企图通过观测传输中的量子位来窃取密 钥而不留下窃听痕迹是绝对不可能的。 3 ) 基于e p r 佯廖的纠缠态量子密钥分配方案：其代表为e p r 或e 9 1 协议 ( e k e r t ，1 9 9 1 ) 。对于此方案，窃取密钥的方法只能是偷换a l i c e 和b o b 共同拥 有的纠缠对中的一个量子位，而只要a l i c e 和b o b 验证他们拥有的量子位确是完 全相关的，就可断定窃密者不可能窃取密钥。 4 量子隐形传态：在科幻电影中，常常会有这样的场景：一个人在某处会 突然神秘地消失，而后却神奇出现在异地。隐形传送( t e l e p o r t a t i o n ) 一词即来源 于此。但遗憾的是，在经典通信中，这种实现隐形传送的方法是违背量子力学中 海森伯不确定关系和量子不可克隆定理的。因此长期以来，这仅仅是一种科学幻 想。然而量子通信引入了其特有的量子纠缠特性，从而创造了隐形传态这样一个 经典通信中不可思议的奇迹。1 9 9 3 年，b e n n e t t 等六位科学家在p h y s r e v l e t t 发表了一篇开创性的文章( b e n n e t te ta l ，1 9 9 3 ) ，提出将未知量子态的信息分为经 典信息和量子信息两部分，分别由经典信道和量子信道传送给接收者。经典信息 是发送者对原物进行某种测量( 通常是基于b e l l 基的联合测量) 所获得，量子 信息是发送者在测量中未提取的其余信息。而接收者在获得这两种信息后，就可 制造出原物的完美复制品，即实现了量子隐形传态。而这一过程中传送的只是原 物的量子态，不是原物本身，发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者 只是将别的粒子( 可能与原物不相同的粒子) 处于原物的量子态上，而原物的量 子态在此过程中已遭破坏。从信息学角度看，原物遭到破坏消失了，而在它处重 新出现这个物体。因此从原理上讲，量子隐形传物是可行的，然而实际实现却仍 然是一个幻想。 1 1 2 量子计算 量子计算机是实现量子计算的机器。量子计算和量子计算机的概念起源于著 名物理学家f e y n m a n ，是他在19 8 2 年研究用经典计算机模拟量子力学系统时提 出的。1 9 8 5 年，d e u t s c h 提出量子图灵机的模型，通过研究其性质，预言了量子 第l 章绪论 计算机的潜在能力。由于量子计算机依赖于量子力学规律处理信息，所以它有着 经典计算机无法比拟的巨大优势。量子计算机可以提供更快的速度、更多的信息 比特以及基于量子原理的全新算法。下面简要介绍有关量子计算的几个基本概 念。 1 量子比特( q u b i t ) ：从物理学的观点看，计算机是一个物理系统，计算则 是这个系统演化的物理过程。经典信息系统以一个比特作为信息单元，它是一个 有两个状态的物理系统，它可以制备为两个可识别状态中的一个，如0 或l ，真 或假等。在数字计算机中，一个电容器两极间的电压可表示为信息比特，有电荷 表示1 ，无电荷表示0 。而在量子信息系统中，常用量子位或量子比特表示信息 单元。量子计算机用两态的量子力学系统来描述两位信息，如光子的两个偏振方 向，磁场中电子自旋向上和向下的两个方向，原子中电子的两个能级态等。量子 计算机进行量子计算的过程就是这些量子力学系统的量子态的演化过程。 利用经典计算机中的比特流编码可表征不同的信息。而为了达到量子计算的 目的，在量子计算机中量子比特分别用两个量子态即本征态i o ) 和1 1 ) 来表示，然 后与经典比特0 和1 对应进行编码。与经典比特不同，量子比特可以存在既非l o ) 也非f 1 的状态，且能以两个逻辑态的叠加态的形式存在，即如式( 1 1 ) 所示。 在量子计算机中，我们无法准确测定量子比特处于哪一个量子态，也就是无法确 定孙q 的准确值。量子力学也告诉我们，只能获得这个量子比特越来越多的信 息，但无法完全确定其状态。 2 量子逻辑门：量子计算机中，信息的基本单元是量子比特，信息的基本 操作元件是量子逻辑门。量子比特是信息的载体，量子比特的信息经量子逻辑门 操作处理后，得到计算结果。 量子信息处理是对编码的量子态进行一系列幺正演化，量子逻辑门就是对量 子比特的最基本的幺正操作。而量子计算则是通过量子逻辑门来控制和操作量子 态的演化和传递，进行量子信息处理的。故幺正性是量子逻辑门的唯要求，任 何满足幺正性的矩阵都能表征一个量子逻辑门。丽所有的量子逻辑门都是可逆操 作的，不伴随信息的擦除，在理论上就存在热耗散的极限，从而杜绝了经典计算 机从根本上就无法解决的热耗散严重影响器件正常功能的问题。量子逻辑门可通 过多种物理体系来实现，如核磁共振、离子阱、量子点和半导体硅基等。 3 量子并行计算：相对于经典计算机而言，量子计算机很大的优越性就体 现在量子并行计算上。比如，一个经典计算机的2 比特寄存器在任一时刻只能存 储2 2 个不同数据中的一种；而一个量子计算机中的2 比特寄存器利用叠加效应， 4 第1 章绪论 在任一时刻可以同时存储2 2 个数据，且一个量子态可以代表所有存储的数据。 而对于n 比特的量子寄存器就可同时存储2 “个数据，而对其进行一次操作，就 相当于经典计算机的2 n 次操作。这种计算效果就是所谓的量子并行计算。因此 用量子典态的量子并行计算，可以达到经典计算机无法达到的运算速度、信息处 理能力及存储能力。 4 量子算法：量子计算机是服从量子力学规律的计算机，它可以支持新类 型的量子算法。任何量子算法的核心都是研究如何处理量子并行计算。 1 9 9 4 年s h o r 利用量子的纠缠性和叠加性提出了著名的大数因子分解的量子 算法一s h o r 算法( s h o r ，1 9 9 4 ) 。大数因子分解是现在广泛用于电子银行、网络等 领域著名的公开密钥体系r s a 安全性的依据。采用经典计算机对数n ( - - 进制 长度为l o g n ) 做因子分解，其运算时间随输入长度( 1 0 9 n ) 指数增长。迄今 在实验上被分解的最大数为1 7 4 位。若用同样计算功能来分解2 5 0 位的数则要用 8 0 万年，而对于1 0 0 0 位的数，则要用1 0 2 5 年。而同样时钟频率的量子计算机采 用s h o r 算法可以在几分之一秒内实现1 0 0 0 位数的因子分解，而且操作时间仅随 输入数的3 次方增长。s h o r 算法使得现在广泛使用的公开密钥密码系统的安全 性受到了极大的威胁，因此，s h o r 算法的发现给量子计算机的研究注入了新的 活力，并引发了量子计算研究的热潮。 现实中，很多问题都可归结为搜索问题，如排序，数据库搜索等。经典计算 机解决这类问题的方法就是逐- - l t , 较，所以如果搜索空间的大小为n ，那么就要 对k l n 次。而1 9 9 6 年g r o v e r 提出了非常有用的量子搜索算法( g r o v e r ，1 9 9 6 ，1 9 9 7 ) 。 量子搜索法是一种迭代算法。上述搜索问题使用g - r o v e r 算法则只需要4 n 次， 显现出了量子加速特征。g r o v e r 算法的用途非常广泛，可以寻找最大值、最小值、 平均值等。 s h o r 和g - r o v e r 的研究工作颠覆了人们对传统密码系统安全性的估计，有力 地促进了量子计算机和量子密码术的发展，成为量子信息科学发展的重要里程碑 之一。 1 2 符合测量 1 2 1 符合测量概述 符合方法最初是用于宇宙射线的研究的，主要是研究核衰变和核反应过程中 在时间和方向上相互关联的事件。1 9 2 4 年到1 9 2 9 年间德国科学家w a l t h e rb o t h e 首先采用符合方法研究了散射x 射线与反冲电子问的符合关系，并研究证实了 第l 章绪论 宇宙射线是粒子这一性质，b o t h e 也因此获得了1 9 5 4 年度的诺贝尔物理学奖。 事实上，b o t h e 的符合方法是基于g e i g e r 计数器实现的：当一个粒子通过两 个或多个g e i g e r 计数器时，从每个计数器输出的脉冲在时间上是几乎一致的， 当把这些脉冲送到一个符合电路时，就可指出时间上完全符合的脉冲。这种时间 上完全符合的脉冲又称为符合事件，是指两个或两个以上同时发生的关联事件。 从1 9 3 0 年以来，电子手段的符合方法在核物理、宇宙射线及量子信息科学 等领域得到了广泛的应用。 1 2 2 光子符合测量 1 9 0 0 年普朗克提出了能量量子化的假设成为了量子诞生的标志，1 9 0 5 年 e i n s t e i n 第一个认识n t 这个假设的重大意义，并进一步发展了普朗克的能量子 概念，更大胆地提出了光量子的假设。e i n s t e i n 假设，能量子概念不只是在光波 的发射和吸收时才有意义，光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量 子组成。例如，当光波从一个点向外扩散时，它的能量并不是如经典理论所认为 的那样连续地分布在一个越来越大的体积中，而是由定域在空间中的有限数目的 能量子组成的。这些能量子在运动中并不分裂，而且只能作为整体被吸收或发射， e i n s t e i n 称之为光量子。1 9 2 2 年，康普顿效应的发现证实了e i n s t e i n 假设中的光 量子是真实存在的，1 9 2 6 年美国化学家刘易斯将光量子正式命名为光子 ( p h o t o n ) 。简单来说，光子是光线中携带能量的粒子，它是传递电磁相互作用 的基本粒子，是一种规范玻色子，也是电磁辐射的载体。在量子信息科学中，光 子可作为量子比特的物理载体。 因此，光子符合测量在量子信息科学的实验研究中是非常重要的。本文研制 的光子符合仪就是一种光予符合测量仪器，它在量子信息科学的诸多研究和应用 中是不可缺少的测量仪器。例如，单光子源的研究、量子操作、多光子干涉( 孙 方稳等，2 0 0 7 ) 、多光子偏振纠缠态的研究( m e i b le ta l ，2 0 0 4 ；s g a e r t n e re t a l ，2 0 0 3 ) 、高级多方量子通信( a k a r l s s o ne ta l ，1 9 9 8 ；w d u re ta l ，2 0 0 0 ；m m u r a oe t a l ，1 9 9 9 ) 和全光量子计算( m a s a t oe ta l ，2 0 0 1 ；e k n i l le ta l ，2 0 0 1 ) 等等。一个八通道 的光子符合测量装置如图1 1 所示。 超快 脉冲 激光 非线 性晶 体 多光 子态 曩磊h 翥h 嚣 图1 1 八通道光子符合测量装置 6 第l 章绪论 超快脉冲激光泵浦非线性晶体产生多光子态，经过一定的量子操作后由单光 子探测器( 直接将探测到的光子信息转换为电子脉冲) ( 姚立等，2 0 0 7 ) 探测， 将光信号转换为电信号，并将该电信号输入到多通道符合仪进行符合测量。当符 合仪输入端有n 个( 两个或两个以上) 脉冲同时到达时，符合仪实现并记录一 次n 重符合事件。如果符合仪输入端没有脉冲到达或只有一个脉冲到达，符合 仪就认为不构成符合事件，可不记录。 从表面上看符合仪完成的只是一个很简单的任务，仅仅利用符合电路将多路 探测器中同时出现的脉冲记录下来。然而事实并非如此! 就单光子探测器输出脉 冲的宽度就是一个挑战。如图1 2 所示。从光子符合测量的角度来说，光子探测 器输出脉冲的宽度要尽可能的窄。然而这要受到符合仪性能的限制，如果符合仪 做不到，输入太窄的脉冲到符合仪进行符合是不会得到正确的结果的。当然如果 单光子探测器因个体差异，输出宽度不同的脉冲( 如图1 2 中的通道1 和通道8 ) ， 符合仪同样得不到正确的符合测量结果。 通道1 脱i l l 嬲厂1 _ 丁1lm 图1 2 单光子探测器输出脉冲的示意图 从图1 2 中还可看到，通道间的脉冲输出是存在不同延时的，此时是否判断 这两个脉冲就不是符合事件呢? 如果判断是符合事件，延时为多少之内可算为符 合事件呢? 的确，在理论上的“同时在现实中是不可能的，由于各种干扰因素 的存在，总是或多或少存在这样的延时。然而我们又不能盲目的认为这样的事件 全是或全不是符合事件。实际测量时，总是认为在一定的时间1 7 内可捕获的延时 脉冲是符合事件，时间百一般称作符合时间窗，其大小可根据实际测量情况下输 入脉冲宽度及符合仪的性能来确定。 1 3 偏光镜的自动控制 7 第l 章绪论 在量子通信和信息处理系统中，偏光镜是不可缺少的基本光学设备，它用来 控制收发双方光子的极化方向。因此，精确控制偏光镜的位置是非常关键的。为 了摆脱手动控制偏光镜架控制精度不高及一致性差等缺点，我们提出并实现了利 用步进电机转动偏光镜架来精确控制的方案。 步进电机是一种可将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行机构，它一般由 控制器和专用的功率驱动器来控制和驱动。控制器每发一个脉冲信号给驱动器， 驱动器就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 即步距角) 。驱动器 接收到的脉冲越多，驱动步进电机转动的角度就越大；同时，在步进电机正常响 应的频率范围内，控制脉冲信号的频率越高，步进电机转动的速度就越快。因此， 可以通过控制脉冲信号个数，来精确控制步进电机转动的角度；同时，通过控制 脉冲信号的频率来控制步进电机旋转的速度，以减少失步、丢步和过冲，从而进 一步提高系统的精度。 1 4 本文的主要工作及贡献 本文介绍了量子通信的基本概念和基本原理，着重研究了量子通信系统中光 子符合仪的一些关键技术。在此基础上，自行研制完成了一台高速智能光子符合 仪，已在量子通信实验系统中使用，效果良好。本文的内容安排如下： 第二章首先介绍了高速智能光子符合仪的工作原理，在此基础上，对系统的 设计和实现进行了研究，总结了设计和实现的难点。其次，本章对系统研究和制 作过程中的几个关键技术进行了探讨。这些技术包括现代e c l 高速集成电路的 基本原理和设计规则；f p g a 可编程逻辑器件的基本结构、设计流程和指导性原 则；u s b 通用串行接口的数据传输模式、分层结构以及开发流程等；最后介绍 了偏光镜自动控制系统中所用步进电机的基本概念。 第三章详细介绍了高速智能光子符合仪的设计和实现，主要包括硬件和软件 两个方面。在硬件方面，介绍了光子符合仪中各主要模块的设计思路、电路原理、 实现结构、工作过程以及各模块之间的接口方式，并且介绍了p c b 板的设计原 则和技巧。在软件方面，着重介绍了f p g a 固件、u s b 固件的开发和实现过程， 以及主机驱动程序和应用程序的设计和实现。 第四章首先给出了高速智能光子符合仪的测试平台。在此平台上，对光子符 合仪的各项性能进行- 了n 试和性能分析。其次，对偏光镜自动控制系统进行了测 试，并对光子符合仪和偏光镜自动控制系统进行了联调。本章给出了所有测试的 结果，说明所设计的光子符合仪和偏光镜自动控制系统均满足设计要求。 第五章对全文进行了总结，并对高速智能光子符合仪提出进一步的改进方 第l 章绪论 向。 本文是作者经过仔细认真地调研和思考，并结合现代集成电路技术、量子信 息的研究和发展趋势完成的，达到了预期的研究和制作目标。本文的主要贡献有： ( 1 ) 本文对光子符合仪的原理进行了总结和分析，提出了高速智能光子符 合仪的设计方案，并对此方案中的关键技术进行了研究，利用现代集成电路技术、 计算机技术使该方案具体化、可实现化。 ( 2 ) 完成了高速智能光子符合仪硬件电路的设计和制作。这项工作包括硬 件电路的原理性设计、集成电路芯片选型、p c b 板设计和硬件调试等工作。测 试结果表明，硬件系统完全达到设计要求。 ( 3 ) 完成了高速智能光子符合仪系统软件的设计和实现。这项工作包括软 件控制流程分析、程序编写和调试、系统软件的测试等。测试结果表明，系统软 件达到各方面的测试要求，能够很好地控制硬件，实现了无人值守的智能测试控 制系统。 光子符合仪是量子信息研究领域中的重要仪器设备，但目前的测试仪器存在 通道少、不可扩展、无法保存测试结果以及速度慢等缺陷。本文研制的高速智能 光子符合仪克服了各种传统符合仪的缺陷，已应用于中国科学院量子信息重点实 验室的研究中，为量子信息科学实验和研究带来了方便，并提高了效率。 9 第2 章高速智能光子符合仪的关键技术 第2 章高速智能光子符合仪的工作原理及关键技术 现代集成电路技术和计算机技术的进步和发展，推动了人类社会的不断前 进。同时也推动了量子信息科学的发展，为量子信息领域的研究奠定了基础。光 子符合仪作为量子信息研究中重要的测量仪器之一，也在不断的更新和改进。本 文研制的高速智能光子符合仪就是基于现代集成电路和计算机技术实现的，它采 用了u s b 2 0 高速计算机外设接口、f p g a 大规模可编程器件和e c l 高速集成电 路等技术。本章将首先简单地介绍高速智能光子符合仪的工作原理，然后对其关 键技术逐一给予阐述。 2 1高速智能光子符合仪的工作原理 激光器产生的光束，经过一系列光学设备的控制处理和量子操作( 如图1 1 所示) 后，变成了很微弱的光子流并送往光子探测器进行探测。光子探测器将探 测到的光子转化为一系列的电脉冲信号，这些电脉冲信号经过鉴别放大后形成标 准的n i m 信号输出到光子符合仪进行符合测量。 光子探测器的基本其工作原理是利用入射光子流与探测器材料中的电子相 互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象，从而表征光子流的某些特征。 而入射光子流的方向是靠偏光镜等光学组件来控制的，其方向的略微不同，将使 探测器产生不同的输出。因此，偏光镜的控制精度非常关键，为了达到很高的控 制精度，我们在高速智能光子符合仪中利用步进电机来控制，这也是高速智能光 子符合仪中自动控制的关键。 在特定的时间间隔内，n 个单光子探测器的输出是所有2 n 种单个事件和符合 探测事件中的一种。其中每一种输出状态都可看作是一个n 位形式的字。因此要 准确的捕获和处理此n 位形式的字，才能获得所有可能的符合事件。一般有两种 准确捕获和处理的方式，一种是将采集到的n 位形式的字一个接一个的保存下 来，但这会受到存储器速度和容量的限制：另一种方式是对给定时间内采集到的 n 位形式的字先进行预处理，即统计每种形式字出现的数目( 即柱状图) 后再存 储，在不用关心每个事件到达的顺序时，此方式具有较大的优势。 我们设计的1 6 通道高速光子符合仪同时兼顾了这两种方式，其基本组成结 构如图2 1 所示。1 6 个通道的输入构成一个1 6 位形式的字，在经过高速输入和 控制电路进行采集和识别( 或运算) 后，利用f i f o 缓冲器缓冲以便f p g a 读取 和处理。在获得的每个字编码中，每一位都对应一个具体的探测器的状态，而且 第2 章高速智能光子符合仪的关键技术 1 6 个探测器的任一组合就表示一个1 6 位形式字的符合事件，共有6 5 5 3 6 种。全 “o ”形式字不代表任何探测器事件。f p g a 在获取此1 6 位形式字后，可以直接 通过u s b 2 0 高速接口传送给主机，也可预处理后再传送给主机。在直接传送到 主机时，主机要经过详细地统计和处理后才能得到每个可能符合事件的速率及所 有事件的柱状图；在进行预处理时，f p g a 利用片外的s s r a m 存储器构成计数 器数组，然后把获取的每个1 6 位形式字作为其索引( 即s s r a m 的地址) ，并对 其中的内容做累加计数。这样就可以在规定的时间内将所有采集到的事件进行统 计，形成类似柱状图的统计结果。这种方式可以提高光子符合仪的采集速度，降 低数据量，提高效率。另外，利用f i f o 缓冲器对原始的事件流进行缓冲，可以 避免不必要的系统死时间。在给定的时间内，f p g a 会将计数器数组统计的事件 结果传送给主机，并清空计数器数组，重新进行统计。主机通过对统计的事件结 果数据进行简单地分析和处理后，就可以得到每个可能符合事件的速率。 s s r a m l f i f o 高速】 单光 主 s s r a m 2 f p g a1 缓 1 输入 子探 机 冲 和控 】 测器 爿u s b 氐 读 器 写 制逻d 1 】 辑 】 d 1 6 图2 11 6 通道光子符合仪的构成 2 2 e c l 高速集成电路 e c l 电路是射极耦合逻辑( e m i a e rc o u p l el o g i c ) 集成电路( 中国集成电路 大全编写委员会，1 9 8 6 ) 的简称。与t t l 电路不同，e c l 电路的最大特点是其 基本门电路工作在非饱和状态，因此消除了限制速度提高的晶体管存储时间，所 以，e c l 电路具有相当高的速度。e c l 电路的平均延迟时间可达几个毫微秒甚 至亚毫微秒数量级。这使得e c l 集成电路在高速和超高速数字系统中充当无以 匹敌的角色。 2 2 1e c l 基本门电路的结构和工作原理 典型的e c l 基本门电路的结构如图2 2 所示，它由差分放大器输入电路、 温度电压补偿( 跟踪) 偏压网络和射极跟随器输出电路组成。差分放大器输入 各端的发射极相互连接并由此传递信号，这种方式称作“射极耦合。差分放大 第2 章高速智能光子符合仪的关键技术 器具有高输入阻抗和一定的电压增益。射极跟随器使输出逻辑电平产生偏移，以 适应下一级电路的输入，并提供了低输出阻抗，从而可获得良好的线驱动性能和 高的扇出能力。电路中所用电源上的噪声因差分放大器近似采用恒流源而受到抑 制。e c l 基本门电路提供了或或非互补逻辑输出。 图2 2 中的第一部分是由电流导入元件：晶体管t l t 4 、t b 、电阻r e 以及 i k l 、i k 2 等组成的差分放大器输入电路。其中t l t 4 和t b 的发射极相连，通过 耦合电阻r e 构成电流导入电路。r e 的阻值要远大于r c i 和r c 2 ，以产生很强的 负反馈，并提高e c l 电路的输入阻抗，从而使晶体管稳定可靠地工作在线性放 大区。定偏管t b 的基极由参考电源供给固定的偏压v b b ，在其工作状态间接接 受输入信号的控制。差分放大器是e c l 电路的核心，它为电路提供或或非逻辑 功能，也为获得很窄的线性门槛区提供所需的电压增益。 第二部分是由t 5 、d l 、d 2 以及电阻r l 、r 2 、r 3 组成的内部温度- 电压补偿 偏压网络( 又称参考源) 。它为差分放大器提供一个固定的参考电压v a a ，其值一 般被调整在信号逻辑电平摆幅的中间值上( 如一1 2 9 v ) 。具有相同结温度特性的 二极管d l 、d 2 对t 5 起到温度补偿作用：即当温度升高时，t 5 的v b e 减小，使 v b b 上升，而d l 、d 2 的正向压降v d 也随温度上升而减小，因此t 5 的基极电位 随之下降，这样就补偿了因t 5 的v b e 减小引起的参考电压上升。当温度在一定 的范围内变化时，都可以使参考电平值和逻辑电平摆幅的中心值保持不变。另外， 参考源还