新進展！中科大團隊破除量子通信「夜間詛咒」

原題：中國科大在基於星座的量子通信實驗研究領域取得重要進展

近日，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、張強等組成的研究小組，在國際上首次成功實現了白天遠距離（53km）自由空間量子密鑰分發，通過地基實驗在信道損耗和雜訊水平方面有效驗證了未來構建基於量子星座的星地、星間量子通信網路的可行性。相關成果" Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication"以長文形式在線發表在國際權威學術期刊《自然·光子學》上。

基於衛星平台的量子通信是構建覆蓋全球量子通信網路最為可行的手段，世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」目前已經在國際上成功實現了首次星地量子通信。然而由於陽光雜訊的影響，「墨子號」衛星只能在夜晚工作，單顆該類低軌道衛星至少需要三天才能完成全球範圍內地面站點的覆蓋。據了解，白天陽光照射雜訊是夜晚的5個數量級以上。

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））。

為抑制白天陽光背景雜訊，潘建偉團隊從三個方面發展關鍵技術，破除「夜間詛咒」：採用1550nm波段光子開展實驗，優化光學系統，將雜訊降低超過一個數量級；發展頻率上轉換單光子探測技術，在保持單光子高效探測的同時，實現了光譜維度的窄帶濾波，降低雜訊約兩個數量級；發展自由空間光束單模光纖耦合技術，實現了高效耦合和空間維度的窄視場濾波，降低雜訊約兩個數量級。

綜合這三項技術，研究小組在青海湖相距53公里的兩點間完成了白天陽光背景下的量子密鑰分發實驗，在全鏈路衰減48dB（大於星地、星間鏈路衰減）情況下，誤碼率~1.65%，安全密鑰成碼率達到~150 bps。實驗結果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了堅實的技術基礎。

《Nature Photonics》雜誌幾位審稿人稱讚該成果 「應對了白天自由空間量子密鑰分發的一個重要挑戰」（「addresses an important challenge for day-time operation of free-space QKD」），是一項「卓越的成就」（「a remarkable achievement」）。

AI有話說：

高軌衛星更容易受到陽光雜訊影響，因此該成果還有助於未來利用少數幾顆高軌衛星實現全球量子通信。

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