縱觀(guān)量子密鑰分配技術(shù)發(fā)展

　　兩個(gè)國際化研究團隊的新成果顯示，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]

　　OFweek 光通訊網(wǎng)訊：來(lái)自加拿大、中國和德國三個(gè)國家的研究團隊，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)，并將其應用在了新的高度：飛行中的飛機和繞地球運動(dòng)的衛星上。

　　為了準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)射機將安全的量子密鑰上行傳輸到飛機上的接收機(Quantum Sci. Technol., doi:10.1088/2058-9565/aa701f)。全球范圍來(lái)看，中國科學(xué)院的一個(gè)團隊從國家的量子衛星上，向兩個(gè)不同的地面站發(fā)送了糾纏的光子對(Science, doi:10.1126/science.aan3211)。而德國馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所的研究人員，能夠對距離地球38000公里以外的衛星激光器所發(fā)射的量子態(tài)進(jìn)行地面測量，而這些器件甚至并不是為量子通信設計的。(Optica, doi:10.1364/OPTICA.4.000611)。

　　是鳥(niǎo)、是飛機、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備以及從飛機與地面站的主要傳輸方式。然而，直到Waterloo實(shí)驗，即使向上傳輸模式比向下傳輸方案需要更簡(jiǎn)單的機載設備，也沒(méi)有人將量子密鑰從地面發(fā)射機發(fā)送到一架移動(dòng)的飛機上。

　　由Thomas Jennewein教授和博士生Christopher Pugh帶領(lǐng)的滑鐵盧大學(xué)量子計算研究所研究團隊，為其QKD接收機使用了許多太空電子元器件，能夠在未來(lái)的衛星中使用。位于安大略省南部的通用航空機場(chǎng)附近的地面發(fā)射機，采用了兩臺紅外激光器和標準的BB84光子偏振協(xié)議(QKD技術(shù)由Charles H.Bennett和Gilles Brassard于1984年提出)。接收機搭載在一架研究用飛機上，由一個(gè)10cm口徑的折射式望遠鏡和專(zhuān)門(mén)設計的傳感器和控制器組成，包括分離量子和信標信號的分色鏡。發(fā)射機和接收機都使用信標激光器和跟蹤系統來(lái)幫助尋找對方。

　　該飛機在海拔約1.6km處進(jìn)行了14次飛行，距離發(fā)射機的距離為3km至10km，飛機速度高達259km/h。研究團隊基于14次飛行中的7次飛行記錄了一個(gè)信號并提取了一個(gè)密鑰，長(cháng)達868kbit。根據加拿大研究團隊實(shí)驗，當接收機以模擬低地球軌道航天器的角速度移動(dòng)時(shí)，設備能夠保持毫米度的指向精度。實(shí)驗為加拿大未來(lái)的量子加密和科學(xué)衛星任務(wù)奠定了基礎。

　　通過(guò)衛星

　　去年8月，中國推出了世界上第一顆用于量子光學(xué)實(shí)驗的衛星?，F在來(lái)自多個(gè)中國學(xué)術(shù)機構的研究人員通過(guò)軌道衛星從兩個(gè)距離很遠的地面站發(fā)射了糾纏光子，實(shí)驗正式命名為空間尺度的量子實(shí)驗(QUESS)，綽號為墨子。

　　研究團隊在兩個(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米遠觀(guān)察到一根人類(lèi)頭發(fā)，或是從地球監測到來(lái)自月球上一根火柴火焰的單光子。

　　大多數光子損耗和湍流效應對自由空間的QKD的影響主要發(fā)生在大氣層中較低的10公里，因為大多數光子的路徑是近真空環(huán)境。中國研究人員為衛星和地面開(kāi)發(fā)出穩定、明亮的雙光子糾纏源，對于衛星和地面都能夠采取先進(jìn)的瞄準和跟蹤技術(shù)。根據對接收信號的分析表明，光子仍然是糾纏態(tài)，違反了貝爾不等式。研究人員估計，這種連接比沿光纖等效長(cháng)距離連接效率高出12至17個(gè)數量級。

　　潘建偉從2003年就開(kāi)始試圖進(jìn)行空間量子通信，當時(shí)量子光學(xué)實(shí)驗通常在屏蔽光學(xué)平臺上進(jìn)行。第二年，他通過(guò)13公里長(cháng)的嘈雜地面環(huán)境進(jìn)行了糾纏光子對分配實(shí)驗。2010年和2012年，該團隊將地面隱形傳態(tài)范圍擴大到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)衛星的必要技術(shù)，例如高精度和高帶寬采集、瞄準和跟蹤。”潘建偉說(shuō)。

　　而潘建偉表示，中國團隊將繼續在較遠的距離進(jìn)行量子光學(xué)實(shí)驗，并計劃在零重力條件下進(jìn)行量子行為的初步測試。

　　利用現有工具

　　第三組實(shí)驗——由OSA會(huì )員Christoph Marquardt領(lǐng)導的一個(gè)團隊進(jìn)行的，他同時(shí)是在德國埃爾蘭根的馬克斯·普朗克研究所的OSA研究員Gerd Leuchs的研究小組工作——德國政府與Tesat-Spacecom GmbH公司合作開(kāi)展業(yè)務(wù)致力于衛星對地光通信。而且，這些實(shí)驗采用了原來(lái)不曾用于量子通信的器件。

　　在德國的實(shí)驗中，來(lái)自相對地球靜止的軌道衛星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，被西班牙特內里費泰德天文臺可移動(dòng)的光學(xué)終端接收。該終端配備了自適應光學(xué)系統，校正了相位失真，并將信號傳輸到單模光纖中，然后使用零差檢測來(lái)獲得量子特征。

　　為了表明通過(guò)湍流大氣實(shí)現衛星與地面之間真正的量子連接是可能的，Max Planck的團隊在衛星設備中使用了一個(gè)相位調制器，在與量子通信兼容的光場(chǎng)狀態(tài)下編碼若干二進(jìn)制相位調制相干態(tài)。隨著(zhù)信號的放大和處理，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。”

　　Marquardt在一份新聞報道中指出：“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)驗表明，從衛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 )運行——這是一個(gè)令人驚訝的發(fā)現，因為該系統不是用于量子通信。”根據研究結果他預測在短短五年內，這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò )“是可能的”。