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科普文章

白天也能“看到”的量子星座?科学家妙手添花,量子通信实验研究又进一大步
发布时间:2017-08-15    640   作者 | 林梅

世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”已在2016年8月成功发射,并且漂亮的完成了既定的三个任务,相关论文已在Science、Nature等顶级科研杂志发表。


但是,工作还远远没有结束,在小墨工作的中国科大上海研究院,中科大潘建伟团队的科学家们除了默默的为了“墨子号”正常工作保驾护航,他们还有一个更宏伟的计划。科学家们告诉小墨,“墨子号”只是庞大的“量子星座”计划中漂亮的第一步,接下来,他们计划发射多颗低轨或高轨卫星,建立起覆盖全球的实时量子通信网络。


为了实现这个宏伟的计划,科学家们的工作重中之重就是提高量子卫星的工作效率,对于天上卫星来说,白天的时间比夜晚长很多,所以最需要解决的,就是保障量子卫星在白天也能顺利、高效的工作。


从一颗到一群,建设量子星座没那么简单

对于现在这颗“墨子号”卫星来说,如果只有它这么一颗卫星拼命绕着地球跑啊跑,至少也得三天才能覆盖到地面每个站点。科学家们一直希望构建一种立体化的卫星网络,包括多颗低轨或高轨卫星,建立起覆盖全球的实时量子通信网络。科学家们说,这种网络叫做“量子星座”。


可是,建一个星座并不像小墨以为的那样多放几个“墨子号”就行,它有很多技术阻碍。比如说吧,现在的“墨子号”只能在看不见太阳的时候工作。为什么呢?因为量子信号是微弱的单光子,而太阳光太强了,白天阳光照射噪声是夜晚的5个数量级以上,分分钟就把信号光子淹没了。而且这个问题会随着卫星轨道升高变得越来越棘手,因为轨道越高,地影区就越小,卫星能躲开太阳的几率就越小(图一)。


现在,轨道高度500km的“墨子号”卫星被太阳光照射的概率是68%,而轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4%。此外,还有一个问题就是:远距离通信必然造成链路损耗很大,科学家估计,星座通信链路损耗典型值大于40-45dB,至少要保证在这么大的损耗、并且有阳光背景大噪声的情况下,仍能安全成码,咱们的“星座”才能真正用得起来。


图一量子星座为基础的量子通信网络示意图

子图a:不同波段大气透过率曲线(1550nm波段约高于810nm波段),

子图b:太阳光谱分布图(1550nm波段辐照度约为810nm波段的1/5)


   两个问题,三大对策,
噪声去无踪,通信更出众


上部分提到的建设量子星座技术难点,总结起来,其实就是两个问题:降低背景噪声,提高信噪比。


为了压制日光带来的背景噪声,中国科大潘建伟团队的科学家想了很多办法,并在青海湖进行了地面实验,验证这些办法是不是可行。


首先,从源头上,尽可能避开太阳光强的部分。科学家发现,在太阳的光谱中,1550 nm及以上波段成分较少(图一b),大气散射对这个波段散射也较小,我们如果用这个波段的光子作为信号光,那么背景噪声不就相对低很多了吗?所以,这次科学家放弃了以往常用的700-900nm光子,而采用了1550nm波段的光子作为信号光,再对光学系统进行了优化,成功地令太阳光噪声降低超过一个数量级。


然后呢,科学家还在探测器上想办法。科学家希望能做成一种探测器,用来尽可能高效地探测单光子信号,同时尽可能将噪声滤掉。可是,目前性能最好的硅单光子探测器并不能来直接探测1550nm信号,同时1550nm这一波段现存的探测器性能都无法在外场环境满足实验需求,这可怎么办呢?


科学家研发了一种新型“上转换探测器”。这种探测器利用了一种被称之为非线性和频的作用,可以将一个1550nm的信号光和一个1950nm的泵浦光合并成一个860nm的和频光,三者一一对应,而产生的和频光不仅保持了1550nm信号光的量子特性,还可以被性能最优的硅单光子探测器探测,因此通过间接探测一个和频光子就可以测量到一个信号光子的存在。同时,在这一和频过程种也会产生其他的一些噪声,由于科研人员采用了1950nm的泵浦光,相比于传统的上转换探测器在和频过程的机理上就避免了部分噪声,随后,科研人员又选用了基于体布拉格光栅的窄带滤波技术,大幅滤除了剩余噪声。最终,科研人员利用这种新型的上转换单光子探测技术,不仅达到了传统上转换探测器的量子探测效率,还令噪声降低了约两个数量级。


第三个技术突破就是自由空间光束单模光纤耦合技术。在自由空间量子通信系统中,人们需要将自由空间的光子最大限度地传输到探测器中,同时尽量不引进噪声光子,传统的做法是增大接收视场提高接收效率,但此时引入噪声也较大。使用单模光纤耦合接收自由空间光束,缩小接收视场进行空间滤波能有效抑制噪声,但是,往往事难两全,以往的单模光纤耦合效率又极低,只有0.1%,难以满足量子通信的需要。而在这次的地面实验中,科研人员发展改进了原有的自由空间光束单模光纤耦合技术,优化光路,采用最少的光学元件来搭建系统,有效减少光学衰减和畸变,同时,还发展了一套高速的光学跟踪系统来稳定耦合效率,最终不仅让降低噪声约两个数量级,还让耦合效率达到了5-30%。


      地上的一小步,
必将成为天上的一大步


方案有了,如何验证方案是否有效?就像墨子号卫星发射前,团队成员们在青海等地无数次的测试一样,这次,试验的场地仍然选在了青海。

⬆  图二日光条件下53公里量子密钥分发实验鸟瞰图


在美丽的青海湖两岸,发送方Alice和接收方Bob相距53公里,在BB84协议下,发送量子密钥[5]。而且,这是个升级版的BB84协议——诱骗态量子密钥分发协议。


这个升级版的协议由是Won-Young Hwang提出、Xiang-Bin Wang, Hoi-Kwong Lo等人发展完善的量子密钥分发方法。为什么要有这个升级版呢?这是因为,理论上说,量子密钥分发要求光源发射单光子,但由于真单光子源不成熟实际上多采用弱相干光子源,而再弱的相干光都存在多光子成分,可能发出两个或更多光子。针对弱相干光的这一特点,攻击者可以采取所谓的光子数分离攻击(photon-number splitting,PNS)攻击,窃取一个光子,剩余光子传给接收者,在不被发现的情况下就窃取了信息。


诱骗态量子密钥分发协议就是用来抵御PNS攻击的。清华大学物理系的王向斌教授做过一个有趣的比喻:在量子密钥分发中,单光子响应就是“健康的井水”,多光子响应就是“混在井水里的致命毒液”,而有了诱骗态协议,人们可以在充分“蒸馏”掉 “致命毒液”的前提下,尽可能多地得到安全成码率。


这次的地面实验也是如此,发送方Alice随机调制不同光强的信号态、诱骗态和真空态,光脉冲穿过青海湖上方的自由空间,发送给对岸的Bob,光子通过我们前面说到的单模光纤进入Bob的探测系统,Bob选取测量基矢,利用上转换探测器探测后,发送到时间数字转换器进行记录分析。


实验结果如何呢?


研究小组在日光下进行了多次实验,分别得到了不同条件下的误码率、成码率结果。结果表明,在全链路衰减48dB(大于星地、星间链路衰减)情况下,面对强大的太阳光噪声,误码率最低可以达到1.65%,此时的安全密钥成码率为150bps,这意味着,太阳光背景下开展星地、星间量子密钥分发是可行的,人们向下一步构建基于量子卫星的星地、星间量子星座迈出了一大步。


小墨悄悄告诉你们一个秘密,这次实验其实受到了地面各种因素限制,所以远没有达到技术极限,各项技术的使用都还有改善的空间。所以,等这些技术真的用到未来的星座网络,小墨相信安全传输距离和成码率都还会有妥妥的进步哒。