由于白天太陽帶來強(qiáng)烈的背景噪聲，量子密鑰傳輸目前只能在夜間進(jìn)行。對(duì)于量子通信而言，這是一個(gè)必須面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉領(lǐng)銜的研究小組，終于在國際上首次實(shí)現(xiàn)了白天遠(yuǎn)距離（53千米）自由空間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了日光條件下星間和星地之間量子密鑰分發(fā)的可行性，為未來構(gòu)建基于量子衛(wèi)星的星地、星間量子通信網(wǎng)絡(luò)掃清了一大關(guān)鍵技術(shù)障礙。7月24日，《自然·光子學(xué)》刊發(fā)了這一突破性研究成果。
量子衛(wèi)星“怕見光”
“墨子號(hào)”作為世界首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，如果僅靠它單兵作戰(zhàn)，至少需要三天才能完成全球范圍內(nèi)地面站點(diǎn)的覆蓋。“墨子號(hào)”只是一個(gè)起點(diǎn)，從實(shí)用的角度來說，必須要構(gòu)建由多顆低軌道衛(wèi)星或高軌道衛(wèi)星組成的量子星座，建立覆蓋全球的實(shí)時(shí)量子通信網(wǎng)絡(luò)。
但是，這種量子星座網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)有兩大技術(shù)難題。“首先，量子衛(wèi)星害怕陽光帶來的背景噪聲，微弱的光信號(hào)會(huì)淹沒在強(qiáng)大的陽光里。只有當(dāng)衛(wèi)星繞到地球背面，太陽光被地球擋住時(shí)，衛(wèi)星才能成功傳送信號(hào)光。而且，黑夜和白天時(shí)間不等長，衛(wèi)星越高，它能避開太陽光的幾率就越小。對(duì)一個(gè)軌道高度36000千米的地球同步軌道衛(wèi)星來說，能躲進(jìn)地影區(qū)的概率不到1%。”潘建偉研究小組成員張強(qiáng)博士介紹。
對(duì)于實(shí)用化的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來說，另一個(gè)挑戰(zhàn)是通信距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致的鏈路損耗較大。“通信鏈路損耗典型值大于40分貝，在這個(gè)損耗下，若噪聲大了，就很難安全成碼。”張強(qiáng)說。
白天陽光照射噪聲是夜晚的5個(gè)數(shù)量級(jí)以上，如何減少噪聲，提高信噪比，是橫亙在量子通信實(shí)用化道路上的一大關(guān)鍵障礙。
三大技術(shù)突破日光噪聲
潘建偉團(tuán)隊(duì)通過巧妙選擇工作波長、上轉(zhuǎn)換單光子探測以及自由空間光束單模光纖耦合等三項(xiàng)突破性技術(shù)，對(duì)抗日光帶來的背景噪聲。
工作波長的選擇很關(guān)鍵。由于噪聲來源于太陽光，無論是直射光還是散射光，太陽光譜中波長為1550納米的光成分較低，大氣散射對(duì)該波段散射也較小。潘建偉團(tuán)隊(duì)用1550納米波段的光子代替了之前700—900納米波段光子，并優(yōu)化了光學(xué)系統(tǒng)，將噪聲降低超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。
單光子探測器一直是量子通信領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。本次實(shí)驗(yàn)采用的上轉(zhuǎn)換單光子探測器，可將1550納米的信號(hào)光和1950納米的泵浦光在符合一定條件下，轉(zhuǎn)換為和頻后的可見光，之后再通過一系列的濾波技術(shù)將殘余光和噪聲濾掉，最后進(jìn)入光纖。最終，利用上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)，噪聲被降低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
在自由空間光通信系統(tǒng)中，空間光束到單模光纖的耦合技術(shù)，是自由空間光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。“以往實(shí)驗(yàn)中的單模光纖耦合效率極低，只有0.1%，難以滿足量子通信的需要。本次實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)展了自由空間光束單模光纖耦合技術(shù)，采用最少的光學(xué)元件來搭建系統(tǒng)，并發(fā)展了光學(xué)跟蹤系統(tǒng)來穩(wěn)定耦合效率，降低噪聲約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)耦合效率達(dá)到了5％—30%。”張強(qiáng)說。
未來還有技術(shù)提升空間
陽光燦爛的青海湖，兩岸相距53公里，實(shí)驗(yàn)在湖兩岸進(jìn)行。
研究小組在1756秒的有效時(shí)間內(nèi)得到了157179比特。結(jié)果表明，在全鏈路衰減48分貝。這一數(shù)值大于星地、星間鏈路衰減，其中包括14分貝的單模光纖耦合損耗和34分貝的信道損耗的情況下，誤碼率最低達(dá)到1.65%，驗(yàn)證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發(fā)的可行性，也為下一步構(gòu)建量子星座打下基礎(chǔ)。
事實(shí)上，面對(duì)期待已久的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)坦言，這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)沒有達(dá)到技術(shù)極限，各項(xiàng)技術(shù)的使用都還有改善的空間?？梢灶A(yù)見，未來安全傳輸距離和成碼率都還會(huì)有大幅度提升，量子星座網(wǎng)絡(luò)正向著實(shí)用化一步步走來。
