加拿大高校首次實現從地面站到高空的量子秘鑰分發，證實可用於航天，且描繪出衛星「藍圖」

來自加拿大滑鐵盧大學的研究團隊使用機載接收器完成了一項理論論證實驗，證明了基於量子光子學的高安全性光學衛星鏈路的可行性。

圖為研究團隊工作照

首次實驗

雖然之前已經有過機載平台的量子秘鑰分發（QKD）實驗——一種利用單個光子偏振或者相位「超安全」信息的加密方法，但加拿大滑鐵盧大學的科學家們是首次實現了從地面站向安裝在飛機上的接收器發送量子秘鑰。

研究人員Christopher Pugh及其團隊展示了從地面發送站向搭載在一架「雙水獺」飛機的接收器進行的14次發射實驗。

技術突破

他們在7次發射試驗中成功生成了量子信號鏈路，並在其中6次實驗中成功提取了用於保護信息的「不可破解」的量子秘鑰。

研究團隊的領導者Thomas Jennewein說，在經歷了8年的準備工作後，這個實驗結果對於這項新興技術來說是極為重要的一步。

他說：「如果最終證明我們的技術是可行的，那麼我們可以建立擁有類似於低軌道衛星角速率的光學鏈路，我們觀察到鏈路建立的時間為幾分鐘，接收量子比特錯誤率為3%~5%，產生量子秘鑰的長度可達868 kb。」

衛星「藍圖」

在證明了理論上的可行性之後，Jennewein堅信這項實驗為未來在衛星上實現量子加密通信技術描繪了藍圖。

加拿大政府也正在著手實施該項任務。今年4月，加拿大創新、科學與經濟發展中心宣布了未來5年內發展太空應用中量子技術的計劃，這是一個總額為8100萬美元的項目的一部分。

滑鐵盧大學量子計算研究所也參與了這個項目，加拿大官方負責人表示：「該項目將助力加拿大成為量子加密技術的領導者，能夠通過利用先進的計算技術創造幾乎不可能被破解的安全密碼。」

物理限制

雖然量子秘鑰分發技術已經有幾十年的研究歷史，並且在金融及軍事領域有初步的應用，但是它還是有一定的物理限制。

滑鐵盧大學的研究人員Christopher Pugh解釋說，「地面的量子秘鑰分發技術系統使用光纖進行鏈接，但是由於吸收損失，其傳播距離只有幾百公里。」

因此，目前所有機載量子秘鑰分發實驗都是下傳實驗，從移動的飛機上向固定的地面接收器發送秘鑰。

785nm傳輸

為了減少光學雜訊，該團隊的實驗分兩天在夜間進行，通過在周期性極化的氧化鎂波導中對1550 nm激光和1590 nm激光進行和頻，建立785 nm波長的量子秘鑰分發鏈路。

然後，使用兩個相位調製器在光信號上加入了4個不同的極化狀態，經過進一步的光學調製後，將這些光信號通過折射望遠鏡發送出去。

信號通過另一個折射望遠鏡到達機載接收器，並通過分束器和光纖系統到達探測器模塊。

該團隊表示，在總的14次實驗中，由7次成功的在飛機飛過地面站的時候建立了量子信號鏈路。在第一天晚上試驗之後，該團隊修復了一些小的儀器故障，第二天的7次實驗中有5次獲得了成功。

在與時速260公里飛過的接收器成功建立鏈接的7次實驗中，該團隊有6次實現了交換量子秘鑰。

他們在論文的結論中寫到，「對於以低軌道衛星的角速率移動的飛機，在發送BB84誘導信號（即四個不同極化狀態）的時候，我們的引導及追蹤系統可以在3-10公里的舉例以毫度的精度建立並維持光學鏈路。」

我們的實驗證實了與衛星之間建立上傳量子秘鑰分發鏈路的可行性。我們展示了量子秘鑰分發衛星接收器的核心量子元件，並且有將它融入到航天系統的明確方法。

準備好了么？

非常重要的一點是，該團隊的量子秘鑰分發接收器使用的很多元件是已經被認定適合航天使用的，其他的元件也有用於衛星的明確方法。在他們的機載演示實驗之後，他們認為這樣一個QDK衛星上傳鏈路在技術上已經成熟。

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