兩個(gè)國(guó)際化研究團(tuán)隊(duì)的新成果顯示，量子密鑰分配技術(shù)（QKD）可能會(huì)進(jìn)軍天空和恒星的領(lǐng)域。 [圖片由iStock提供]
來(lái)自加拿大、中國(guó)和德國(guó)三個(gè)國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)從光纖中獲得了稱(chēng)為量子密鑰分配（QKD）的信息加密技術(shù)，并將其應(yīng)用在了新的高度：飛行中的飛機(jī)和繞地球運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星上。
為了準(zhǔn)備加拿大量子通信航天器，安大略省滑鐵盧大學(xué)的研究人員從地面發(fā)射機(jī)將安全的量子密鑰上行傳輸?shù)斤w機(jī)上的接收機(jī)（Quantum Sci. Technol., doi:10.1088/2058-9565/aa701f）。全球范圍來(lái)看，中國(guó)科學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)從國(guó)家的量子衛(wèi)星上，向兩個(gè)不同的地面站發(fā)送了糾纏的光子對(duì)（Science, doi:10.1126/science.aan3211）。而德國(guó)馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所的研究人員，能夠?qū)嚯x地球38000公里以外的衛(wèi)星激光器所發(fā)射的量子態(tài)進(jìn)行地面測(cè)量，而這些器件甚至并不是為量子通信設(shè)計(jì)的。（Optica, doi:10.1364/OPTICA.4.000611）。
是鳥(niǎo)、是飛機(jī)、是量子密鑰分配
科學(xué)家已經(jīng)將QKD作為一種不可破解的加密方案，進(jìn)行了三十多年的研究，但是由于存在指數(shù)型損耗，如果光纖上的密鑰大于幾百公里的傳輸距離就不起作用了。短距離的QKD已被證明可用于手持設(shè)備以及從飛機(jī)與地面站的主要傳輸方式。然而，直到Waterloo實(shí)驗(yàn)，即使向上傳輸模式比向下傳輸方案需要更簡(jiǎn)單的機(jī)載設(shè)備，也沒(méi)有人將量子密鑰從地面發(fā)射機(jī)發(fā)送到一架移動(dòng)的飛機(jī)上。
由Thomas Jennewein教授和博士生Christopher Pugh帶領(lǐng)的滑鐵盧大學(xué)量子計(jì)算研究所研究團(tuán)隊(duì)，為其QKD接收機(jī)使用了許多太空電子元器件，能夠在未來(lái)的衛(wèi)星中使用。位于安大略省南部的通用航空機(jī)場(chǎng)附近的地面發(fā)射機(jī)，采用了兩臺(tái)紅外激光器和標(biāo)準(zhǔn)的BB84光子偏振協(xié)議（QKD技術(shù)由Charles H.Bennett和Gilles Brassard于1984年提出）。接收機(jī)搭載在一架研究用飛機(jī)上，由一個(gè)10cm口徑的折射式望遠(yuǎn)鏡和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器和控制器組成，包括分離量子和信標(biāo)信號(hào)的分色鏡。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都使用信標(biāo)激光器和跟蹤系統(tǒng)來(lái)幫助尋找對(duì)方。
該飛機(jī)在海拔約1.6km處進(jìn)行了14次飛行，距離發(fā)射機(jī)的距離為3km至10km，飛機(jī)速度高達(dá)259km/h。研究團(tuán)隊(duì)基于14次飛行中的7次飛行記錄了一個(gè)信號(hào)并提取了一個(gè)密鑰，長(zhǎng)達(dá)868kbit。根據(jù)加拿大研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)接收機(jī)以模擬低地球軌道航天器的角速度移動(dòng)時(shí)，設(shè)備能夠保持毫米度的指向精度。實(shí)驗(yàn)為加拿大未來(lái)的量子加密和科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。
通過(guò)衛(wèi)星
去年8月，中國(guó)推出了世界上第一顆用于量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星。現(xiàn)在來(lái)自多個(gè)中國(guó)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究人員通過(guò)軌道衛(wèi)星從兩個(gè)距離很遠(yuǎn)的地面站發(fā)射了糾纏光子，實(shí)驗(yàn)正式命名為空間尺度的量子實(shí)驗(yàn)（QUESS），綽號(hào)為墨子。
研究團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)相距1203公里的地面站之間進(jìn)行傳輸，QUESS與地面站之間的距離，西南的麗江和青海省北部的德寧哈，從500公里到2000公里不等。作者之一、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉把星載信息交換比喻成距離300米遠(yuǎn)觀察到一根人類(lèi)頭發(fā)，或是從地球監(jiān)測(cè)到來(lái)自月球上一根火柴火焰的單光子。
大多數(shù)光子損耗和湍流效應(yīng)對(duì)自由空間的QKD的影響主要發(fā)生在大氣層中較低的10公里，因?yàn)榇蠖鄶?shù)光子的路徑是近真空環(huán)境。中國(guó)研究人員為衛(wèi)星和地面開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定、明亮的雙光子糾纏源，對(duì)于衛(wèi)星和地面都能夠采取先進(jìn)的瞄準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)。根據(jù)對(duì)接收信號(hào)的分析表明，光子仍然是糾纏態(tài)，違反了貝爾不等式。研究人員估計(jì)，這種連接比沿光纖等效長(zhǎng)距離連接效率高出12至17個(gè)數(shù)量級(jí)。
潘建偉從2003年就開(kāi)始試圖進(jìn)行空間量子通信，當(dāng)時(shí)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)通常在屏蔽光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行。第二年，他通過(guò)13公里長(zhǎng)的嘈雜地面環(huán)境進(jìn)行了糾纏光子對(duì)分配實(shí)驗(yàn)。2010年和2012年，該團(tuán)隊(duì)將地面隱形傳態(tài)范圍擴(kuò)大到16公里和100公里。
“通過(guò)這些在地面上進(jìn)行這些研究，我們逐漸掌握了量子科學(xué)衛(wèi)星的必要技術(shù)，例如高精度和高帶寬采集、瞄準(zhǔn)和跟蹤?！迸私▊フf(shuō)。
而潘建偉表示，中國(guó)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在較遠(yuǎn)的距離進(jìn)行量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)，并計(jì)劃在零重力條件下進(jìn)行量子行為的初步測(cè)試。
利用現(xiàn)有工具
第三組實(shí)驗(yàn)——由OSA會(huì)員Christoph Marquardt領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的，他同時(shí)是在德國(guó)埃爾蘭根的馬克斯·普朗克研究所的OSA研究員Gerd Leuchs的研究小組工作——德國(guó)政府與Tesat-Spacecom GmbH公司合作開(kāi)展業(yè)務(wù)致力于衛(wèi)星對(duì)地光通信。而且，這些實(shí)驗(yàn)采用了原來(lái)不曾用于量子通信的器件。
在德國(guó)的實(shí)驗(yàn)中，來(lái)自相對(duì)地球靜止的軌道衛(wèi)星Alphasat I-XL上的1065nm Nd：YAG激光通信終端（最初于2013年7月被放置在太空中）的相干光束，被西班牙特內(nèi)里費(fèi)泰德天文臺(tái)可移動(dòng)的光學(xué)終端接收。該終端配備了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，校正了相位失真，并將信號(hào)傳輸?shù)絾文９饫w中，然后使用零差檢測(cè)來(lái)獲得量子特征。
為了表明通過(guò)湍流大氣實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間真正的量子連接是可能的，Max Planck的團(tuán)隊(duì)在衛(wèi)星設(shè)備中使用了一個(gè)相位調(diào)制器，在與量子通信兼容的光場(chǎng)狀態(tài)下編碼若干二進(jìn)制相位調(diào)制相干態(tài)。隨著信號(hào)的放大和處理，研究人員能夠可靠地從地面站接收到這些量子態(tài)，這些光束是“通過(guò)地球引力以及湍流大氣傳播38600公里的光束?！?/p>
Marquardt在一份新聞報(bào)道中指出：“我們非常驚訝，量子態(tài)如何在大氣湍流之中幸存下來(lái)。實(shí)驗(yàn)表明，從衛(wèi)星到地球的光束可能非常適合作為量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行——這是一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)不是用于量子通信?！备鶕?jù)研究結(jié)果他預(yù)測(cè)在短短五年內(nèi)，這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)“是可能的”。