由于白天太陽帶來強烈的背景噪聲，量子密鑰傳輸目前只能在夜間進行。對于量子通信而言，這是一個必須面對的重大挑戰(zhàn)。
中國科學技術大學教授潘建偉領銜的研究小組，終于在國際上首次實現(xiàn)了白天遠距離（53千米）自由空間的量子密鑰分發(fā)實驗，驗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)絡掃清了一大關鍵技術障礙。7月24日，《自然·光子學》刊發(fā)了這一突破性研究成果。
量子衛(wèi)星“怕見光”
“墨子號”作為世界首顆量子實驗衛(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)地面站點的覆蓋。“墨子號”只是一個起點，從實用的角度來說，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，建立覆蓋全球的實時量子通信網(wǎng)絡。
但是，這種量子星座網(wǎng)絡的實現(xiàn)有兩大技術難題。“首先，量子衛(wèi)星害怕陽光帶來的背景噪聲，微弱的光信號會淹沒在強大的陽光里。只有當衛(wèi)星繞到地球背面，太陽光被地球擋住時，衛(wèi)星才能成功傳送信號光。而且，黑夜和白天時間不等長，衛(wèi)星越高，它能避開太陽光的幾率就越小。對一個軌道高度36000千米的地球同步軌道衛(wèi)星來說，能躲進地影區(qū)的概率不到1%。”潘建偉研究小組成員張強博士介紹。
對于實用化的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡來說，另一個挑戰(zhàn)是通信距離較遠導致的鏈路損耗較大。“通信鏈路損耗典型值大于40分貝，在這個損耗下，若噪聲大了，就很難安全成碼。”張強說。
白天陽光照射噪聲是夜晚的5個數(shù)量級以上，如何減少噪聲，提高信噪比，是橫亙在量子通信實用化道路上的一大關鍵障礙。
三大技術突破日光噪聲
潘建偉團隊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突破性技術，對抗日光帶來的背景噪聲。
工作波長的選擇很關鍵。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，大氣散射對該波段散射也較小。潘建偉團隊用1550納米波段的光子代替了之前700—900納米波段光子，并優(yōu)化了光學系統(tǒng)，將噪聲降低超過一個數(shù)量級。
單光子探測器一直是量子通信領域的一個重要課題。本次實驗采用的上轉(zhuǎn)換單光子探測器，可將1550納米的信號光和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將殘余光和噪聲濾掉，最后進入光纖。最終，利用上轉(zhuǎn)換單光子探測技術，噪聲被降低約兩個數(shù)量級。
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，是自由空間光通信系統(tǒng)中的關鍵技術之一。“以往實驗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。本次實驗中，我們發(fā)展了自由空間光束單模光纖耦合技術，采用最少的光學元件來搭建系統(tǒng)，并發(fā)展了光學跟蹤系統(tǒng)來穩(wěn)定耦合效率，降低噪聲約兩個數(shù)量級。同時耦合效率達到了5％—30%。”張強說。
未來還有技術提升空間
陽光燦爛的青海湖，兩岸相距53公里，實驗在湖兩岸進行。
研究小組在1756秒的有效時間內(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，誤碼率最低達到1.65%，驗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。
事實上，面對期待已久的實驗結(jié)果，研究團隊坦言，這次的實驗結(jié)果遠沒有達到技術極限，各項技術的使用都還有改善的空間?？梢灶A見，未來安全傳輸距離和成碼率都還會有大幅度提升，量子星座網(wǎng)絡正向著實用化一步步走來。
