中国科大在基于星座的量子通信实验研究领域取得重要进展

近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、张强等组成的研究小组,在国际上首次成功实现了白天远距离(53km)自由空间量子密钥分发,通过地基实验在信道损耗和噪声水平方面有效验证了未来构建基于量子星座的星地、星间量子通信网络的可行性。相关成果Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication以长文形式在线发表在《自然-光子学》上。 
基于卫星平台的量子通信是构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”目前已经在国际上成功实现了首次星地量子通信,为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究奠定了可靠的技术基础。然而由于阳光噪声的影响,“墨子号”卫星只能在夜晚工作,单颗该类低轨道卫星至少需要三天才能完成全球范围内地面站点的覆盖。为了提高通信覆盖率,以提高卫星量子通信实用化水平,一种可行的解决途径是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。为了构建量子星座,需要突破以下两个技术难题:一是通信距离较远导致的链路损耗较大,星座通信链路损耗典型值大于40-45dB;二是随着卫星轨道的升高,卫星被太阳光照射的概率增大,例如,轨道高度500km的“墨子号”卫星被太阳光照射的概率是68%,而轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4%,而白天阳光照射噪声是夜晚的5个数量级以上。 
为抑制白天阳光背景噪声,潘建伟团队从三个方面发展关键技术:阳光背景噪声主要包括太阳光直射部分和经大气分子散射部分组成,太阳光谱中1550nm成分较低,大气散射对该波段散射也较小,利用这个特点采用1550nm波段光子开展实验,优化光学系统,将噪声降低超过一个数量级;发展频率上转换单光子探测技术,在保持单光子高效探测的同时,实现了光谱维度的窄带滤波,降低噪声约两个数量级;发展自由空间光束单模光纤耦合技术,实现了高效耦合和空间维度的窄视场滤波,降低噪声约两个数量级。综合这三项技术,研究小组在青海湖相距53公里的两点间完成了白天阳光背景下的量子密钥分发实验,在全链路衰减48dB(大于星地、星间链路衰减)情况下,误码率~1.65%,安全密钥成码率达到~150 bps。实验结果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了坚实的技术基础。 
《自然-光子学》杂志几位审稿人称赞该成果 “应对了白天自由空间量子密钥分发的一个重要挑战”,是一项“卓越的成就”。 
该研究得到中科院、国家自然科学基金委、科技部、教育部等部门的支持。(来源:中国科学技术大学 
 
图1 量子星座为基础的量子通信网络示意图 
(子图a:不同波段大气透过率曲线(1550nm波段约高于810nm波段),子图b:太阳光谱分布图(1550nm波段辐照度约为810nm波段的1/5))。

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责任编辑:桂楷东
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