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科普文章

漫画 | 如何在太阳光下,找到藏着量子密钥的单个光子?
发布时间:2017-08-21    549   Sheldon

 

“墨子号”量子实验卫星已经上线一周年了,并且圆满地完成了科学家安排的三个实验任务:
 1. 星地间量子密钥分发;
2. 量子隐形传态; 
3. 在千公里的距离上测量贝尔不等式。 
可是最近,它遇到了一个新的烦恼。 

因为这些实验原本只能在半夜最黑的时候进行,现在科学家却要求它把实验挪到白天。肿么办啊?肿么办!……



我之前做的量子密钥分发实验,

虽然很成功,

但是只能在半夜的时候做。

 

因为在这个实验中,

我向地面发射光子,

而且每次只能发射一个。

 

白天阳光那么强,

一个光子哪里看得清啊!



我的轨道高度只有5百公里。

每天躲在地球影子里的时间,

大概有三分之一。

 

要是想在全球搞量子通信,

就得进入地球同步轨道,

也就是3万6千多公里。

 

可是离地球越远,

被太阳晒的时间就越长。

到时候卫星天天被阳光干扰,

如果我不想出解决办法,

量子通信恐怕就会难搞得多。




如果让太阳光穿过三棱镜,

它就会分解成各种颜色的光。

 

紫色光的波长最短,

红色光的波长最长。

 

在红色光之外的区域,

其实还有很多肉眼看不到的光,

叫做红外线!

它的波长比红色光还要长。



在之前半夜开展的实验中,

量子实验卫星发射的光子,

波长是800纳米,

也属于近红外线的波段,

算是波长1550纳米光子的表哥。

 

这两种光子到底哪个效果好,

做实验比一比才会知道。



在强烈的阳光下,

800纳米的光子几乎消失了,

因为背景实在太亮了。


相比之下,

1550纳米的光子就清楚很多!




道理很简单!

 

太阳虽然发出各种波长的光,

但是有的光子多一些,

有的光子少一些。

 

在800纳米的波长上,

太阳发射的光子很多,

大气对光子的散射很厉害,

产生的干扰噪声也就多。

 

在1550纳米的波长上,

太阳发射的光子较少,

大气的散射也小,

产生的干扰噪声也就少。



于是,

中科大的潘建伟教授,

及其同事彭承志,张强等,

利用1550纳米波长的光子,

成功地在青海湖两岸的阳光下,

开展了量子密钥分发实验。



在这次实验中,

他们每发射10万个光子,

就有99998个光子被损耗掉。

(即光子损耗为48dB,

这是为了模拟星地通信的环境。)

 

但剩下的光子抵达了接收器,

成功地传输了量子密钥。



在这次的量子通信实验中,

为了减少各种噪声的干扰,

他们除了调整光子的波长,

还用到了两种方法。

 

一是光谱滤波,

也就是把其他频率的光子都拦在外面。




二是空间滤波,

说白了就是减小接收光子的空间范围。



这篇实验写成的论文,

发表在了《自然•光学》上。

 

实验结果说明,

本来让卫星发送量子密钥,

只能趁半夜最黑的时候。

现在白天也可以发送了。

 

这就为下一步

构建量子通信卫星网络,

打下了坚实的技术基础。

 

量子实验卫星再也不发愁啦。



本文版权归墨子沙龙所有

自媒体、报刊等转载请联系墨子沙龙授权!

 

美指:牛猫

绘制:赏鉴

排版:胡豆

鸣谢:廖胜凯,任继刚

彭承志,印娟,刘乃乐


参考文献:

Sheng-Kai Liao, et al. , Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication, Nature Photonics 11, 509–513 (2017).

 

注:本文中提到的800nm泛指一个波段,在通常的量子通信实验中,光子的波长可以是780nm,810nm和850nm,或者772nm、813nm等。

 

为什么以前的实验不用1550nm的光子呢?因为在这个波长上,常规的单光子探测器的效果很差,不但噪声大,而且遗漏的光子很多(探测效率低下)。所以,在自由空间远距离量子密钥分发实验中,科学家通常使用800nm的光子。

 

近年来,国外科学家发展了一种新型的超导单光子探测器,可以很好地测量1550nm的光子,但它体积很大,而且需要在低温下才能正常工作。

 

为了更高效地完成相关实验,中科大的科研组自主研制了一种“上转换单光子探测器”。

 

这种探测器并不是单纯地探测1550nm的光子,而是将它的信号转换成波长更短、能量更高的可见光。

 

跟国外的同类产品相比,中科大自主研制的探测器不需要制冷剂,不会增加很多噪声(窄带滤波),也不会遗漏太多光子(探测效率高),助了白天量子密钥分发实验一臂之力。

 

为了减小光子的接收范围,同时又不至于将真正的信号挡在接收范围之外,科研团队还发展了自由空间光束单模光纤耦合技术。

 

所以,在白天的量子密钥分发实验中,中科大的科研组一共用了三个招数:

 

1. 使用1550nm作为工作波长;

2. 使用自主研制的上转换单光子探测器;

3. 发展了自由空间光束单模光纤耦合技术。