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“墨子号”首次实现白天远距离量子密钥分发

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事在国际上首次实现了白天远距离(53公里)自由空间量子密钥分发,通过地基实验在信道损耗和噪声水平方面验证了未来构建基于量子星座的星地、星间量子通信网络的可行性。相关成果7月24日在线发表于《自然·光子学》上。

基于卫星平台的量子通信是构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段,“墨子号”目前已经在国际上成功实现了首次星地量子通信。然而由于阳光噪声的影响,“墨子号”卫星只能在夜晚工作,单颗该类低轨道卫星至少需要三天才能完成全球范围内地面站点的覆盖。

“墨子号”首次实现白天远距离量子密钥分发-E安全

为了提高通信覆盖率,一种可行的解决途径是构建由多颗卫星组成的量子星座,建立覆盖全球的实时量子通信网络。为了构建量子星座,需要突破以下两个技术难题:一是通信距离较远导致的链路损耗较大,星座通信链路损耗典型值大于40—45分贝;二是随着卫星轨道的升高,卫星被太阳光照射的概率增大。

为抑制白天阳光背景噪声,潘建伟团队从三个方面发展关键技术:阳光背景噪声主要包括太阳光直射部分和经大气分子散射部分,太阳光谱中1550纳米波段光子成分较低,大气散射对该波段散射也较小,利用这个特点采用1550纳米波段光子开展实验,优化光学系统,将噪声降低超过一个数量级;发展频率上转换单光子探测技术,在保持单光子高效探测的同时,实现了光谱维度的窄带滤波,降低噪声约两个数量级;发展自由空间光束单模光纤耦合技术,实现了高效耦合和空间维度的窄视场滤波,降低噪声约两个数量级。

研究小组在青海湖相距53公里的两点间完成了白天阳光背景下的量子密钥分发实验,实验结果验证了太阳光背景下开展星地、星间量子密钥分发的可行性。