潘建伟团队再突破:下一代量子通信卫星不再怕光,能白天上岗

中国科学技术大学潘建伟院士。  上海观察 图

“墨子号”十分“怕光”,目前的量子通信实验,都是在晴朗的夜晚中完成的。从三个方面发展关键技术,中国科学技术大学潘建伟团队在青海湖实现了白天远距离(53公里)自由空间里的量子密钥分发,令下一代量子通信卫星有望克服“怕光”的弱点,实现白天上岗。

相关论文发表在7月24日的英国《自然·光子学》期刊(Nature Photonics)上。

论文的第一作者、中科大副研究员廖胜凯告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),在设计“墨子号”的时候,他们就知道了“墨子号”无法白天工作。现在,“墨子号”大约有68%的时间暴露在阳光下,也就是说,只有不到一半的时间能够工作。而轨道越高的卫星如在地球同步轨道的通信卫星,能“躲”在地球阴影里的时间不到1%。

因此,攻克白天远距离自由空间里的量子密钥分发,给有效扩展量子卫星的通信时间,提高实用性,进一步为搭建覆盖全球的量子通信星座打下了坚实的基础。

三方面突破,解决“怕光”问题

那么,“墨子号”到底为什么“怕光”呢?这是因为,白天阳光造成的噪声,比夜晚要高5个数量级。而基于量子不可克隆原理,量子通信信号无法像普通的通信信号一样放大。因而,保持足够高的信噪比,是白天量子通信要攻克的核心问题,廖胜凯介绍道。

另一方面,在星地这样的远距离中,通信链路损耗较大,典型值大于40dB(dB是描述损耗倍数的单位,40dB和20dB差了两个数量级)。此前的白天量子密钥分发实验,最多只能在链路损耗约为20dB的状态下成码。

为了解决信噪比的问题,潘建伟团队从三个方面实现突破。首先,选择最合适波段的光子。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,这其中,波长为1550nm的成分较低,大气散射对该波段散射也较小。团队用这个波段的光子,代替了之前的700-900nm波段,并优化了光学系统,将噪声降低超过一个数量级。

其次,团队在探测器方面,利用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,实现了光谱窄带滤波,降低噪声约两个数量级。

最后,团队发展自由空间光束单模光纤耦合技术。这是自由空间光通信的关键技术之一,能使自由空间光束的能量能最大限度地耦合到接收单模光纤中区。不过,以往实验中的耦合效率极低,难以满足量子通信的需要。这次,团队兼顾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,潘建伟团队在青海湖相距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,误码率保持在1.65%左右,安全密钥成码率达到150bps。

通向量子通信星座的必经一步

目前,“墨子号”位于500公里高的近地轨道上,运行速度较快,而且受阳光、阴雨天气条件的限制,至少需要三天才能完成全球站点覆盖。廖胜凯介绍道,为了搭建全球量子通信网络,必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星,组建星座,尽可能实现在地球上的任意地点,只要天气条件合适,即可实践量子通信。

随着星座中卫星轨道升高,对地面覆盖范围增加,同时卫星被太阳光照射的概率增大,如轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4%。可以说,实现白天自由空间远距离的量子密钥分发,证实了阳光下星地、星间量子通信的可行性,是通向量子通信星座的必经一步。

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责任编辑:桂楷东
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