三大技術對抗日光雜訊，量子衛星有望白天上崗 前沿

日光條件下自由空間的量子密鑰分發實驗鳥瞰圖。來源：Liao, Sheng-Kai,et al. Nature Photonics, 2017

撰文 | 林 梅

責編 | 陳曉雪

目前的量子密鑰傳輸只能在沒有日光的黑夜進行，對於量子通信技術而言，是一個必去之而後快的重大挑戰。

近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承志、張強、廖勝凱等組成的研究小組，終於在白天實現了遠距離（53千米）自由空間的量子密鑰分發實驗。這在國際上屬於首次。

這一突破通過地面實驗驗證了日光條件下星間和星地之間量子密鑰分發（QKD）的可行性，為未來構建基於量子衛星的星地、星間量子通信網路掃清了一大關鍵技術障礙。

7月24日，《自然·光子學》（Nature Photonics）刊發了這一研究。

1「星座」怕太陽

對於量子衛星「墨子」來說，如果僅靠它單兵作戰，至少需要三天才能完成全球範圍內地面站點的覆蓋。所以，「墨子」只是一個起點，從實用的角度來說，必須要構建由多顆低軌道衛星或高軌道衛星組成的量子星座，建立覆蓋全球的實時量子通信網路。

可是，這種星座網路的實現有兩大技術難題。

首先，現有的技術手段只能讓衛星在太陽照不到的地影區工作。衛星害怕太陽光帶來的背景雜訊，微弱的信號光會淹沒在強大的陽光里，因此只有當衛星繞到地球背面，太陽光被地球擋住時，衛星才能成功傳送信號光。而且，對衛星來說，黑夜和白天的時間還不等長，從下圖可以看到，衛星越高，它能避開太陽光的幾率就越小，對一個軌道高度36000千米的地球同步軌道衛星來說，能躲進地影區的概率不到1%。

另外一個難題是，對於實用化的量子衛星網路來說，通信距離較遠導致的鏈路損耗較大，通信鏈路損耗典型值大於40dB，在這個損耗下，若雜訊大則很難安全成碼。之前有人嘗試開展過相關白天量子密鑰分發實驗，結果表明，最多也只能在鏈路損耗約為20dB的狀態下成碼，難以符合衛星網路40dB以上的實際損耗情況，因而不能運用在實際的衛星網路里。

歸根結底，還是太陽光帶來的背景雜訊太強了（白天陽光照射雜訊是夜晚的5個數量級以上），如何盡量減少這個雜訊，提高信噪比，才是克服這一障礙的關鍵。

量子星座為基礎的量子通信網路示意圖。

（子圖a：不同波段大氣透過率曲線，1550nm波段約高於810nm波段；子圖b：太陽光譜分布圖，1550nm波段輻照度約為810nm波段的1/5）。來源：Liao, Sheng-Kai,et al. Nature Photonics, 2017

2三大技術對抗日光雜訊

為了對抗日光帶來的背景雜訊，潘建偉團隊使用了三項技術：巧妙選擇工作波長+上轉換單光子探測技術+自由空間光束單模光纖耦合技術。

首先，工作波長的選擇很關鍵。由於雜訊來源於太陽光，無論是直射光還是散射光，太陽光譜中波長為1550納米（nm）的光成分較低，大氣散射對該波段散射也較小，針對這個特點，團隊用1550nm波段的光子代替了之前700-900nm波段光子，並優化了光學系統，將雜訊降低超過一個數量級。

這次實驗所用的單光子探測器，一直是量子通信領域的一個重要課題，其中，上轉換單光子探測器是三大主流探測器之一[1]。上轉換單光子探測器的核心實際上是一個非線性的和頻過程，它將1550nm的信號光和1950nm的泵浦光一起通過波分復用器[2]進入波導[3]，在符合一定條件下，轉換為和頻後的可見光，之後再通過一系列的濾波技術將殘餘光和雜訊濾掉，最後進入光纖，被硅雪崩光電二極體[4]探測。這個過程中，科研人員要考慮的因素有很多，比如非線性過程產生的各種雜訊如何去除？如何實現光譜維度的窄帶濾波，儘可能在保持單光子高效探測的同時降低雜訊？所選用的光學器件是否易於集成和調試？都是需要綜合考慮的問題。最終，利用上轉換單光子探測技術，雜訊被降低約兩個數量級。

第三個就是發展自由空間光束單模光纖耦合技術。在自由空間光通信系統中，空間光束到單模光纖(SMF)的耦合技術是自由空間光通信系統中的關鍵技術之一，它是為了使自由空間光束的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去。其中，耦合效率固定的單模光纖耦合使用非常廣泛。以往的空間濾波系統存在一個令人尷尬的矛盾：利用單模光纖耦合，可以有效減小光學視場，進而減小雜訊，但是以往實驗中的單模光纖耦合效率極低，只有0.1%，難以滿足量子通信的需要。本次試驗中，科研人員發展了自由空間光束單模光纖耦合技術，採用最少的光學元件來搭建系統，並發展了光學跟蹤系統來穩定耦合效率，最終完美調和了高效耦合和窄視場濾波的矛盾，降低雜訊約兩個數量級，同時耦合效率可達5％-30%。

3實驗驗證

青海湖的兩岸相距53公里，在太陽光下，發送方Alice和接收方Bob各安其位，準備再一次展示基於誘騙態的BB84協議[5]。

發送方Alice隨機調製幾種不同光強信號態、誘騙態和真空態，光脈衝穿過自由空間，被對岸的Bob接收，光子通過前面說到的單模光纖進入Bob的探測系統，Bob選取測量基矢，利用上轉換探測器探測後，發送到時間數字轉換器進行記錄分析。

研究小組在1756秒的有效時間內得到了157179比特。結果表明，在全鏈路衰減48dB（大於星地、星間鏈路衰減，其中包括14dB的單模光纖耦合損耗和34dB的信道損耗）情況下，誤碼率最低達到1.65%，安全密鑰成碼率達到~150 bps，驗證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發的可行性，為下一步構建量子星座打下基礎。

事實上，據潘建偉團隊介紹，這次的實驗結果遠沒有達到技術極限，各項技術的使用都還有改善的空間。可以預見，未來的星座網路，安全傳輸距離和成碼率都還會有大幅度的提高。

名詞解釋：

[1]另外兩類分別是是超導探測器和銦鎵砷雪崩二極體單光子探測器。

[2]波分復用器：將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個不同波長的光信號分開的通信技術

[3]波導：用來定向引導電磁波的結構。

[4]硅雪崩光電二極體：一種p-n結型的光檢測二極體，其中利用了載流子的雪崩倍增效應來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。

[5]BB84協議：第一個量子密碼通信協議,由美國科學家Charles Bennett和加拿大蒙特利爾大學科學家Gilles Brassard於1984年創立，屬於量子密鑰分發的範疇，它基於單粒子載體，易於實現，安全性已被嚴格證明，是唯一被商業化實現的量子密鑰分發協議；隨後科學家Won-Young Hwang, Xiang-Bin Wang, Hoi-Kwong Lo等人提出可以抵禦光子數分離攻擊（photon number splitting）的誘騙態協議，擴展了安全通信距離，進一步推動了量子密鑰分發實用化進程。

參考文獻：

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

製版編輯：斯嘉麗丨

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