中國科大在基于星座的量子通信實驗研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、張強等組成的研究小組，在國際上首次成功實現(xiàn)了白天遠(yuǎn)距離（53km）自由空間量子密鑰分發(fā)，通過地基實驗在信道損耗和噪聲水平方面有效驗證了未來構(gòu)建基于量子星座的星地、星間量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。相關(guān)成果Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication以長文形式在線發(fā)表在《自然-光子學(xué)》上。 :{LNr!I?I
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基于衛(wèi)星平臺的量子通信是構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最為可行的手段，世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”目前已經(jīng)在國際上成功實現(xiàn)了首次星地量子通信，為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實驗研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。然而由于陽光噪聲的影響，“墨子號”衛(wèi)星只能在夜晚工作，單顆該類低軌道衛(wèi)星至少需要三天才能完成全球范圍內(nèi)地面站點的覆蓋。為了提高通信覆蓋率，以提高衛(wèi)星量子通信實用化水平，一種可行的解決途徑是構(gòu)建由多顆低軌道衛(wèi)星或高軌道衛(wèi)星組成的量子星座，建立覆蓋全球的實時量子通信網(wǎng)絡(luò)。為了構(gòu)建量子星座，需要突破以下兩個技術(shù)難題：一是通信距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致的鏈路損耗較大，星座通信鏈路損耗典型值大于40-45dB；二是隨著衛(wèi)星軌道的升高，衛(wèi)星被太陽光照射的概率增大，例如，軌道高度500km的“墨子號”衛(wèi)星被太陽光照射的概率是68%，而軌道高度36000km的地球同步軌道衛(wèi)星被太陽光照射的概率達(dá)99.4%，而白天陽光照射噪聲是夜晚的5個數(shù)量級以上。 H:#sf][&,L
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為抑制白天陽光背景噪聲，潘建偉團隊從三個方面發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)：陽光背景噪聲主要包括太陽光直射部分和經(jīng)大氣分子散射部分組成，太陽光譜中1550nm成分較低，大氣散射對該波段散射也較小，利用這個特點采用1550nm波段光子開展實驗，優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，將噪聲降低超過一個數(shù)量級；發(fā)展頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)，在保持單光子高效探測的同時，實現(xiàn)了光譜維度的窄帶濾波，降低噪聲約兩個數(shù)量級；發(fā)展自由空間光束單模光纖耦合技術(shù)，實現(xiàn)了高效耦合和空間維度的窄視場濾波，降低噪聲約兩個數(shù)量級。綜合這三項技術(shù)，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(fā)實驗，在全鏈路衰減48dB（大于星地、星間鏈路衰減）情況下，誤碼率~1.65%，安全密鑰成碼率達(dá)到~150 bps。實驗結(jié)果驗證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發(fā)的可行性，為下一步構(gòu)建量子星座打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。 Z xw
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《自然-光子學(xué)》雜志幾位審稿人稱贊該成果 “應(yīng)對了白天自由空間量子密鑰分發(fā)的一個重要挑戰(zhàn)”，是一項“卓越的成就”。 Yi?v |H<a
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該研究得到中科院、國家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部等部門的支持。 1j*E/L
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圖1 量子星座為基礎(chǔ)的量子通信網(wǎng)絡(luò)示意圖 f6,?Yex8B
（子圖a：不同波段大氣透過率曲線（1550nm波段約高于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））。
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