兩個國際化研究團隊的新成果顯示，量子密鑰分配技術(shù)（QKD）可能會進軍天空和恒星的領(lǐng)域。 [圖片由iStock提供]
來自加拿大、中國和德國三個國家的研究團隊，已經(jīng)從光纖中獲得了稱為量子密鑰分配（QKD）的信息加密技術(shù)，并將其應(yīng)用在了新的高度：飛行中的飛機和繞地球運動的衛(wèi)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?shù)斤w機上的接收機（Quantum Sci. Technol., doi:10.1088/2058-9565/aa701f）。全球范圍來看，中國科學(xué)院的一個團隊從國家的量子衛(wèi)星上，向兩個不同的地面站發(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?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)進行地面測量，而這些器件甚至并不是為量子通信設(shè)計的。（Optica, doi:10.1364/OPTICA.4.000611）。
是鳥、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)備以及從飛機與地面站的主要傳輸方式。然而，直到Waterloo實驗，即使向上傳輸模式比向下傳輸方案需要更簡單的機載設(shè)備，也沒有人將量子密鑰從地面發(fā)射機發(fā)送到一架移動的飛機上。
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，能夠在未來的衛(wèi)星中使用。位于安大略省南部的通用航空機場附近的地面發(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10cm口徑的折射式望遠鏡和專門設(shè)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(tǒng)來幫助尋找對方。
該飛機在海拔約1.6km處進行了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次飛行記錄了一個信號并提取了一個密鑰，長達868kbit。根據(jù)加拿大研究團隊實驗，當(dāng)接收機以模擬低地球軌道航天器的角速度移動時，設(shè)備能夠保持毫米度的指向精度。實驗為加拿大未來的量子加密和科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。
通過衛(wèi)星
去年8月，中國推出了世界上第一顆用于量子光學(xué)實驗的衛(wèi)星?，F(xiàn)在來自多個中國學(xué)術(shù)機構(gòu)的研究人員通過軌道衛(wèi)星從兩個距離很遠的地面站發(fā)射了糾纏光子，實驗正式命名為空間尺度的量子實驗（QUESS），綽號為墨子。
研究團隊在兩個相距1203公里的地面站之間進行傳輸，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米遠觀察到一根人類頭發(fā)，或是從地球監(jiān)測到來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(shù)光子的路徑是近真空環(huán)境。中國研究人員為衛(wèi)星和地面開發(fā)出穩(wěn)定、明亮的雙光子糾纏源，對于衛(wèi)星和地面都能夠采取先進的瞄準和跟蹤技術(shù)。根據(jù)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距離連接效率高出12至17個數(shù)量級。
潘建偉從2003年就開始試圖進行空間量子通信，當(dāng)時量子光學(xué)實驗通常在屏蔽光學(xué)平臺上進行。第二年，他通過13公里長的嘈雜地面環(huán)境進行了糾纏光子對分配實驗。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。
“通過這些在地面上進行這些研究，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、瞄準和跟蹤。”潘建偉說。
而潘建偉表示，中國團隊將繼續(xù)在較遠的距離進行量子光學(xué)實驗，并計劃在零重力條件下進行量子行為的初步測試。
利用現(xiàn)有工具
第三組實驗——由OSA會員Christoph Marquardt領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊進行的，他同時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公司合作開展業(yè)務(wù)致力于衛(wèi)星對地光通信。而且，這些實驗采用了原來不曾用于量子通信的器件。
在德國的實驗中，來自相對地球靜止的軌道衛(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)里費泰德天文臺可移動的光學(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，并將信號傳輸?shù)絾文９饫w中，然后使用零差檢測來獲得量子特征。
為了表明通過湍流大氣實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間真正的量子連接是可能的，Max Planck的團隊在衛(wèi)星設(shè)備中使用了一個相位調(diào)制器，在與量子通信兼容的光場狀態(tài)下編碼若干二進制相位調(diào)制相干態(tài)。隨著信號的放大和處理，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。實驗表明，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)運行——這是一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，因為該系統(tǒng)不是用于量子通信?！备鶕?jù)研究結(jié)果他預(yù)測在短短五年內(nèi)，這樣一個網(wǎng)絡(luò)“是可能的”。