中科院成功完成“星地量子通信”地基試驗(yàn)[圖]

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室潘建偉院士及其同事彭承志等，與中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇、光電技術(shù)研究所黃永梅等組成的協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)的全方位的地面驗(yàn)證，為未來實(shí)現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

該研究成果于5月1日以長文形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》雜志上（Nature Photonics 7, 387–393 (2013)）。這是中科院量子科技先導(dǎo)專項(xiàng)繼去年實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)和百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)后取得的又一階段性重要突破，同時(shí)也是量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的最新重要成果。

量子密鑰分發(fā)是最先有望實(shí)用化的量子信息技術(shù)，其物理原理保證的無條件安全性使科學(xué)家們一直致力于全球化量子密鑰分發(fā)的研究。要實(shí)現(xiàn)全球量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，人們需要突破距離的限制。目前，由于光纖損耗和探測器的不完美性等因素的限制，以光纖為信道的量子密鑰分發(fā)的距離已基本到達(dá)極限。而由于地球曲率和遠(yuǎn)距可視等條件的限制，地面間自由空間的量子密鑰分發(fā)也很難實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的距離。因此要實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的甚至是全球任意兩點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)，基于低軌道衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)成為最有潛力和可行性的方案。理論分析表明，對(duì)于低軌衛(wèi)星平臺(tái)方案，大氣層的傳輸損耗、量子信道效率、背景噪音等問題都是需要克服的重要問題。尤其是低軌衛(wèi)星和地面站始終處于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)之中，如何在有角速度、角加速度、隨機(jī)振動(dòng)等情況下建立起高效穩(wěn)定的量子信道，保持信道效率以及降低量子密鑰誤碼率，是基于低軌道衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)面臨的關(guān)鍵性問題。

為了克服星地量子密鑰分發(fā)的上述困難，中科院協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在中國科大上海研究院、中科院上海技物所和光電技術(shù)研究所進(jìn)行了多年的合作技術(shù)攻關(guān)，自主研制了高速誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)光源和輕便的收發(fā)整機(jī)，自主發(fā)展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰減鏈路下的高信噪比及低誤碼率單光子探測等關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來模擬低軌道衛(wèi)星的角速度和角加速度，利用熱氣球來模擬隨機(jī)振動(dòng)和衛(wèi)星姿態(tài)，利用百公里地面自由空間信道來模擬星地之間高衰減鏈路信道，從而成功地驗(yàn)證了星地之間安全量子信道的可行性。

上述研究為我國通過發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)，和在大尺度量子理論基礎(chǔ)檢驗(yàn)，以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對(duì)論奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。由于量子密鑰分發(fā)實(shí)用化應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重要性，同期的《自然·光子學(xué)》還分別報(bào)道了德國慕尼黑大學(xué)研究小組關(guān)于飛機(jī)與地面的量子密鑰分發(fā)，以及法國國家科研中心聯(lián)合團(tuán)隊(duì)關(guān)于連續(xù)變量的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)的重要實(shí)驗(yàn)成果。