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三大技术对抗日光噪声 量子卫星有望白天上岗

撰文 | 林    梅
责编 | 陈晓雪
 
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目前的量子密钥传输只能在没有日光的黑夜进行,对于量子通信技术而言,是一个必去之而后快的重大挑战。
  
近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、张强、廖胜凯等组成的研究小组,终于在白天实现了远距离(53千米)自由空间的量子密钥分发实验。这在国际上属于首次。
 
这一突破通过地面实验验证了日光条件下星间和星地之间量子密钥分发(QKD)的可行性,为未来构建基于量子卫星的星地、星间量子通信网络扫清了一大关键技术障碍。
 
7月24日,《自然·光子学》(Nature Photonics)刊发了这一研究。
 
1 “星座”怕太阳
 
对于量子卫星“墨子”来说,如果仅靠它单兵作战,至少需要三天才能完成全球范围内地面站点的覆盖。所以,“墨子”只是一个起点,从实用的角度来说,必须要构建由多颗低轨道卫星或高轨道卫星组成的量子星座,建立覆盖全球的实时量子通信网络。
 
可是,这种星座网络的实现有两大技术难题。
 
首先,现有的技术手段只能让卫星在太阳照不到的地影区工作。卫星害怕太阳光带来的背景噪声,微弱的信号光会淹没在强大的阳光里,因此只有当卫星绕到地球背面,太阳光被地球挡住时,卫星才能成功传送信号光。而且,对卫星来说,黑夜和白天的时间还不等长,从下图可以看到,卫星越高,它能避开太阳光的几率就越小,对一个轨道高度36000千米的地球同步轨道卫星来说,能躲进地影区的概率不到1%。
 
另外一个难题是,对于实用化的量子卫星网络来说,通信距离较远导致的链路损耗较大,通信链路损耗典型值大于40dB,在这个损耗下,若噪声大则很难安全成码。之前有人尝试开展过相关白天量子密钥分发实验,结果表明,最多也只能在链路损耗约为20dB的状态下成码,难以符合卫星网络40dB以上的实际损耗情况,因而不能运用在实际的卫星网络里。
 
归根结底,还是太阳光带来的背景噪声太强了(白天阳光照射噪声是夜晚的5个数量级以上),如何尽量减少这个噪声,提高信噪比,才是克服这一障碍的关键。
2 三大技术对抗日光噪声
 
为了对抗日光带来的背景噪声,潘建伟团队使用了三项技术:巧妙选择工作波长+上转换单光子探测技术+自由空间光束单模光纤耦合技术。
 
首先,工作波长的选择很关键。由于噪声来源于太阳光,无论是直射光还是散射光,太阳光谱中波长为1550纳米(nm)的光成分较低,大气散射对该波段散射也较小,针对这个特点,团队用1550nm波段的光子代替了之前700-900nm波段光子,并优化了光学系统,将噪声降低超过一个数量级。
 
这次实验所用的单光子探测器,一直是量子通信领域的一个重要课题,其中,上转换单光子探测器是三大主流探测器之一[1]。上转换单光子探测器的核心实际上是一个非线性的和频过程,它将1550nm的信号光和1950nm的泵浦光一起通过波分复用器[2]进入波导[3],在符合一定条件下,转换为和频后的可见光,之后再通过一系列的滤波技术将残余光和噪声滤掉,最后进入光纤,被硅雪崩光电二极管[4]探测。这个过程中,科研人员要考虑的因素有很多,比如非线性过程产生的各种噪声如何去除?如何实现光谱维度的窄带滤波,尽可能在保持单光子高效探测的同时降低噪声?所选用的光学器件是否易于集成和调试?都是需要综合考虑的问题。最终,利用上转换单光子探测技术,噪声被降低约两个数量级。
 
第三个就是发展自由空间光束单模光纤耦合技术。在自由空间光通信系统中,空间光束到单模光纤(SMF)的耦合技术是自由空间光通信系统中的关键技术之一,它是为了使自由空间光束的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。其中,耦合效率固定的单模光纤耦合使用非常广泛。以往的空间滤波系统存在一个令人尴尬的矛盾:利用单模光纤耦合,可以有效减小光学视场,进而减小噪声,但是以往实验中的单模光纤耦合效率极低,只有0.1%,难以满足量子通信的需要。本次试验中,科研人员发展了自由空间光束单模光纤耦合技术,采用最少的光学元件来搭建系统,并发展了光学跟踪系统来稳定耦合效率,最终完美调和了高效耦合和窄视场滤波的矛盾,降低噪声约两个数量级,同时耦合效率可达5%-30%。
 
3 实验验证
 
青海湖的两岸相距53公里,在太阳光下,发送方Alice和接收方Bob各安其位,准备再一次展示基于诱骗态的BB84协议[5]。
 
发送方Alice随机调制几种不同光强信号态、诱骗态和真空态,光脉冲穿过自由空间,被对岸的Bob接收,光子通过前面说到的单模光纤进入Bob的探测系统,Bob选取测量基矢,利用上转换探测器探测后,发送到时间数字转换器进行记录分析。
 
研究小组在1756秒的有效时间内得到了157179比特。结果表明,在全链路衰减48dB(大于星地、星间链路衰减,其中包括14dB的单模光纤耦合损耗和34dB的信道损耗)情况下,误码率最低达到1.65%,安全密钥成码率达到~150 bps,验证了太阳光背景下开展星地、星间量子密钥分发的可行性,为下一步构建量子星座打下基础。
 
事实上,据潘建伟团队介绍,这次的实验结果远没有达到技术极限,各项技术的使用都还有改善的空间。可以预见,未来的星座网络,安全传输距离和成码率都还会有大幅度的提高。
 
名词解释:
[1]另外两类分别是是超导探测器和铟镓砷雪崩二极管单光子探测器。
[2]波分复用器:将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束,沿着单根光纤传输;在接收端再用某种方法,将各个不同波长的光信号分开的通信技术
[3]波导:用来定向引导电磁波的结构。
[4]硅雪崩光电二极管:一种p-n结型的光检测二极管,其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。
[5]BB84协议:第一个量子密码通信协议,由美国科学家Charles Bennett和加拿大蒙特利尔大学科学家Gilles Brassard于1984年创立,属于量子密钥分发的范畴,它基于单粒子载体,易于实现,安全性已被严格证明,是唯一被商业化实现的量子密钥分发协议;随后科学家Won-Young Hwang, Xiang-Bin Wang, Hoi-Kwong Lo等人提出可以抵御光子数分离攻击(photon number splitting)的诱骗态协议,扩展了安全通信距离,进一步推动了量子密钥分发实用化进程。
 
参考文献:
Liao, Sheng-Kai,et al. Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towardsinter-satellite communication.” Nature Photonics (2017). 
doi:10.1038/nphoton.2017.116
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