基于FPGA的星上量子實(shí)驗(yàn)控制單元的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、量子信息學(xué)近年來取得了巨大的發(fā)展，它是經(jīng)典信息學(xué)和量子力學(xué)相結(jié)合的學(xué)科。相比于經(jīng)典信息學(xué)其擁有更大的優(yōu)勢(shì)與前景，因而在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛的關(guān)注和研究。
　　在量子信息學(xué)中，量子通信是發(fā)展最成熟、最接近實(shí)用化的通信方式。目前為止，基于光纖的量子通信已經(jīng)相對(duì)比較成熟并且應(yīng)用于實(shí)際中。但是由于信號(hào)于光纖中存在固有衰減，基于光纖的量子通信很難做到遠(yuǎn)距離量子通信，并且其受地理因素影響較大。因此為實(shí)現(xiàn)全球化的量子密鑰分發(fā)、完成遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)以及隱

2、形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)星地量子通信是十分有必要的。
　　星地量子通信中星上控制單元是完成實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分之一，因此對(duì)其研究與實(shí)現(xiàn)是十分有意義的?；贔PGA的星上量子實(shí)驗(yàn)控制單元是本論文研究的主要內(nèi)容。在量子通信過程中，量子實(shí)驗(yàn)控制單元的主要任務(wù)是量子信號(hào)的發(fā)送控制、量子信號(hào)的時(shí)間探測(cè)以及相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)的傳輸存儲(chǔ)等。其中量子信號(hào)的發(fā)送控制以及量子信號(hào)的時(shí)間探測(cè)是本課題的研究重點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。量子通信中采用弱光作為信息載體，因此在大衰減的星地量子

3、信道中，接收端探測(cè)到信號(hào)個(gè)數(shù)較少，這將直接影響最終成碼。為提高量子通信的成碼率，必須增加單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)探測(cè)的個(gè)數(shù)，故提高發(fā)射頻率是量子通信的關(guān)鍵，在本課題中我們利用循環(huán)調(diào)制脈沖的方法提高發(fā)射頻率，實(shí)現(xiàn)了200 MHz的量子發(fā)射頻率。為探測(cè)高頻的發(fā)射信號(hào)并減小噪聲產(chǎn)生的影響，我們采用 FPGA進(jìn)位鏈實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間測(cè)量，測(cè)量時(shí)間精度達(dá)到了50ps。量子實(shí)驗(yàn)控制單元由五個(gè)模塊組成，分別是高速脈沖調(diào)制模塊，主要完成量子信號(hào)的發(fā)送控制；時(shí)間測(cè)量

4、模塊，主要完成量子信號(hào)的時(shí)間測(cè)量；數(shù)據(jù)總線控制模塊和SDRAM控制模塊，主要完成科學(xué)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)；以及完成各個(gè)模塊間的控制調(diào)度功能的指令解析與系統(tǒng)控制模塊。利用量子實(shí)驗(yàn)控制單元我們分別進(jìn)行量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。在模擬衰減大于40dB的情況下成功完成了量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，成碼率1.8kbps，誤碼率2.8％。在模擬衰減為76dB的情況下實(shí)現(xiàn)了雙向量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到了Bell不等式破缺，Bell不等式