浩敏评论：华盛顿特区城域量子网络 （DC-QNet）时钟同步特性介绍
2025年04月18日 00:00
原文连接：Appl. Phys. Lett. 125, 164004 (2024) , RESEARCH ARTICLE | OCTOBER 15 2024，https://doi.org/10.1063/5.0225082
原文标题：Clock synchronization characterization of the Washington DC metropolitan quantum network (DC-QNet)
▎研究团队组成
电信科学实验室（LTS），美国国家标准与技术研究院（NIST）信息技术实验室，美国海军天文台，美国海军研究实验室（NRL），美国国家标准与技术研究院物理测量实验室，马里兰大学联合量子研究所，美国加利福尼亚州拉霍亚的泰斯研究公司，马里兰大学物理系，美国国家标准与技术研究院通信技术实验室，美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心，美国陆军作战能力发展司令部下属陆军研究实验室（ARL），美国伊利诺伊大学芝加哥分校电气与计算机工程系，美国弗吉尼亚州斯普林菲尔德计算物理公司，马里兰大学电子与应用物理研究所（IREAP）。
▎ 文章摘要
在量子网络协议体系中，量子干涉测量与高精度飞行时间测定对量子探测有着重要的作用，这两者都高度依赖高精度时钟同步。华盛顿特区城域（DC-QNet）量子网络研究测试平台对高精度时钟同步进行了深入研究，对比分析了白兔精确时间协议（White Rabbit Precision Time Protocol, WR-PPT）与主动电学稳频的（Active Electronics Stabilization，ELSTAB）的光学双向时频传递方法（Optical Two-way Time-Frequency Transfer，OTWTFT）的设计架构、实现路径及性能特征。实验数据显示，主动电学稳频方法在 53 km光纤链路下，1 秒至 10⁵秒积分时间范围内，实现了亚皮秒级时间偏差（TDEV）；而白兔精确时间协议在 128 km传输距离下，相同积分时段实现了10皮秒级 TDEV。本文详细阐述了时钟同步过程中环境波动的来源并提出了现场补偿策略。研究发现，温度变化导致传播时延漂移、色散效应、偏振态漂移及光功率波动等因素，均为引发时钟同步误差的关键因素。此项工作标志着城域量子网络向实用化迈出关键一步，相关补偿方法的持续开发将加速量子互联网从实验室验证走向工程应用。
▎ 正文介绍
量子网络的战略价值体现在三大核心领域：理论上绝对安全的量子密钥分发、分布式量子传感与计算体系，以及抗攻击的安全时钟同步网络。高精度时频同步技术是支撑量子组网的基本要素，在源在纠缠分发中的不可区分性、量子纠缠态分发、量子纠缠交换等关键环节发挥了重要作用。在现阶段，高精度时钟同步主要表现为有效支持点对点量子通信系统的建设；未来，但随着网络规模扩展，对高精度时间同步协议的需求也会发生动态变化，核心需求包括：与现有电信光网络的无缝融合、量子信号与经典光信号的同纤共传、可大规模扩展的网络架构、更好的环境鲁棒性、更安全防护机制以抵御针对时间同步信道的量子攻击。
由于超快激光器中单光子脉冲持续时间是从纳秒到飞秒量级在变化，本研究的初步目标是实现在1秒积分时间下实现1E-11秒量级的时间偏差（TDEV），以满足远距离节点纠缠光子传送的需求。这可以通过光纤双向时间频率传递（OTWTFT）来实现，主要的技术途径包括：基于白兔精密时间协议（WR-PTP）和主动电学稳定（ELSTAB）的OTWTFT。
图1. (a) 电学主动稳频（ELSTAB）和白兔 - 精确时间协议（WR-PTP）时间和频率传输方法在DC-QNet中作为两个独立的网络进行部署。E0 至 E2 表示 ELSTAB 模块的位置。W0 至 W5 表示 WR-PTP 交换机的位置。在测试中，WR-PTP 通信通过光开关（链路连接到星型上的一个点）或在集线器处直接连接（链路从五边形上的一个点开始）；(b) DC-QNet中原子钟的分数频率不稳定性模型和光双向时间和频率传输（OTWTFT）方法，其中包括 WR-PTP 和 ELSTAB 设备的测量噪声范围。
如图1 (a)所示，为加快量子网络计量和量子网络协议的研究，华盛顿特区建设了7个站点的城域量子网络（DC-QNet），站点采用地下光纤和架空光纤链路两种方式连接起来。图 1 (b) 显示了DC-QNet 中的两种OTWTFT方法的原子钟的频率不稳定性。其中，白兔交换机（WRS）配置为星型拓扑结构，由位于中心的参考时钟（W3）作为主时钟去同步多个 WRS [图 1 (a)]。WRS之间的信号往返通过两根不同的光纤连接，也就是“单纤单向”的方式连接，往返的激光器波长都统一为 1539.77 nm和1541.35 nm。另外，为了实现与量子信号与通信信号同传，研究团队采用“单纤双向”的粗波分复用（CWDM）架构来传递通信信号，往返信号分别采用 1270nm 和 1290 nm（O波段）。
研究团队采用时间相关单光子计数（TCSPC）模块去测量两个白兔节点的 10MHz 输出之间的相位差。在减去两个时钟之间的初始（<1ns）偏移后，两个 WRS 之间的峰-峰值相位差小于 200ps。图 2 (a)显示了测量到的峰-峰值时间误差的最大时间值（MTIE），在平均时间为 10s 时，MTIE小于 25ps。如图 2 (b)所示，在 1 到 105s 的平均时间内，重叠阿伦方差（OADEV）低于 1E-11。如图2 (c)所示，当平均时间为 10s 时，地下链路的时间偏差下限低于1E-12s。由于架空光纤链路暴露空气中，经历了快速温度梯度（温变），其往返时间时延展示了显著的不稳定性和波动性。
W3-W4的 路径长度为64 km，其中61km为架空光纤链路。图 2 (d)展示了基于到达时间戳方法测量到W3-W4的 路径延迟，其平均路径延迟为 0.32 毫秒，平均路径延迟变化率为dT/dL=1.3ps / 秒，最大路径延迟变化率为 21 ps / 秒。图 2 (f) 展示了W2-W3 之间53 km地下光纤链路的平均单向路径延迟， 约为 0.25 毫秒。相比之下，地下光纤链路平均路径延迟变化率dT/dL为 0.2 ps / 秒，最大路径延迟变化率为 3.5 ps / 秒。
WR-PTP 可用于测量光纤链路延迟，以调整传输，从而协调量子和经典消息的到达时间。通过时间对齐 W3 和 W4 处 WRS 的单向路径延迟测量，两条相邻光纤的延迟保持在几百ps内。对于相邻光纤，WR-PTP 可以用作探测信号，因为这些光纤通常受到相同的延迟变化的影响。通过减小路径延迟归一化窗口可以改善结果。图 2 (g) 显示了归一化窗口小于 10 秒的单向路径延迟差。
图2.（a）最大时间间隔误差（MTIE）；（b）OADEV 和（c）DC-QNet WR-PTP 部署的时间偏差 TDEV。时钟误差由参考时钟服务器（WRS）测量；（d）W4-W3 链路的单向路径延迟 [见图 1（a）] 以及在气象站测量的气温。阴影区域表示云量覆盖；（e）W2-W3 链路在四天期间未补偿的往返路径延迟（实线蓝色）以及在靠近 W0 的气象站测量的温度（虚线橙色）；（f）W4-W3 链路的单向路径延迟（实线蓝色）和变化率（虚线橙色）；（g）同一光缆中两根相邻光纤的路径延迟差异；（f）和（g）均展示了来自 W4-W3 架空光纤链路的测量结果。
▎ 评论
综上所述，研究团队在华盛顿都市量子网络（DC-QNet）中部署并测试了两种光学时间传递方法——电学稳频（ELSTAB）和White Rabbit-PTP（WR-PTP），分析了其在长距离光纤链路上的同步性能及环境噪声影响。ELSTAB方法在53 km地下链路上实现亚ps级TDEV（1.5E−12 @1秒），长期稳定性达1E-15量级。WR-PTP方法在128 km链路上TDEV为10 ps级别，适用于分布式量子网络节点同步。地下光纤链路因温度波动小，性能优于架空链路，但架空光纤链路通过实时补偿仍可满足量子协议需求。量子信号（C波段）与经典信号（O波段）共纤传输时，需通过滤波抑制后向散射噪声。
相关新闻
浩敏光电闪耀2026慕尼黑上海光博会：喧嚣鼎沸见证“稳定”实力
公众号
bilibili主⻚