白天也能「看到」的量子星座？

白天也能「看到」的量子星座？科學家妙手添花，量子通信實驗研究又進一大步

世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」已在2016年8月成功發射，並且漂亮的完成了既定的三個任務，相關論文已在Science、Nature等頂級科研雜誌發表。

但是，工作還遠遠沒有結束，在小墨工作的科大上海研究院，中科大潘建偉團隊的科學家們除了默默的為了「墨子號」正常工作保駕護航，他們還有一個更宏偉的計劃。科學家們告訴小墨，「墨子號」只是龐大的「量子星座」計劃中漂亮的第一步，接下來，他們計劃發射多顆低軌或高軌衛星，建立起覆蓋全球的實時量子通信網路。

為了實現這個宏偉的計劃，科學家們的工作重中之重就是提高量子衛星的工作效率，對於天上衛星來說，白天的時間比夜晚長很多，所以最需要解決的，就是保障量子衛星在白天也能順利、高效的工作。

從一顆到一群，建設量子星座沒那麼簡單

對於現在這顆「墨子號」衛星來說，如果只有它這麼一顆衛星拚命繞著地球跑啊跑，至少也得三天才能覆蓋到地面每個站點。科學家們一直希望構建一種立體化的衛星網路，包括多顆低軌或高軌衛星，建立起覆蓋全球的實時量子通信網路。科學家們說，這種網路叫做「量子星座」。

可是，建一個星座並不像小墨以為的那樣多放幾個「墨子號」就行，它有很多技術阻礙。比如說吧，現在的「墨子號」只能在看不見太陽的時候工作。為什麼呢？因為量子信號是微弱的單光子，而太陽光太強了，白天陽光照射雜訊是夜晚的5個數量級以上，分分鐘就把信號光子淹沒了。而且這個問題會隨著衛星軌道升高變得越來越棘手，因為軌道越高，地影區就越小，衛星能躲開太陽的幾率就越小（圖一）。

現在，軌道高度500km的「墨子號」衛星被太陽光照射的概率是68%，而軌道高度36000km的地球同步軌道衛星被太陽光照射的概率達99.4%。此外，還有一個問題就是：遠距離通信必然造成鏈路損耗很大，科學家估計，星座通信鏈路損耗典型值大於40-45dB，至少要保證在這麼大的損耗、並且有陽光背景大雜訊的情況下，仍能安全成碼，咱們的「星座」才能真正用得起來。

⬆ 圖一量子星座為基礎的量子通信網路示意圖

子圖a：不同波段大氣透過率曲線（1550nm波段約高於810nm波段），

子圖b：太陽光譜分布圖（1550nm波段輻照度約為810nm波段的1/5）

兩個問題，三大對策，雜訊去無蹤，通信更出眾

上部分提到的建設量子星座技術難點，總結起來，其實就是兩個問題：降低背景雜訊，提高信噪比。

為了壓制日光帶來的背景雜訊，科大潘建偉團隊的科學家想了很多辦法，並在青海湖進行了地面實驗，驗證這些辦法是不是可行。

首先，從源頭上，儘可能避開太陽光強的部分。科學家發現，在太陽的光譜中，1550 nm及以上波段成分較少（圖一b），大氣散射對這個波段散射也較小，我們如果用這個波段的光子作為信號光，那麼背景雜訊不就相對低很多了嗎？所以，這次科學家放棄了以往常用的700-900nm光子，而採用了1550nm波段的光子作為信號光，再對光學系統進行了優化，成功地令太陽光雜訊降低超過一個數量級。

然後呢，科學家還在探測器上想辦法。科學家希望能做成一種探測器，用來儘可能高效地探測單光子信號，同時儘可能將雜訊濾掉。可是，目前性能最好的硅單光子探測器並不能來直接探測1550nm信號，同時1550nm這一波段現存的探測器性能都無法在外場環境滿足實驗需求，這可怎麼辦呢？

科學家研發了一種新型「上轉換探測器」。這種探測器利用了一種被稱之為非線性和頻的作用，可以將一個1550nm的信號光和一個1950nm的泵浦光合併成一個860nm的和頻光，三者一一對應，而產生的和頻光不僅保持了1550nm信號光的量子特性，還可以被性能最優的硅單光子探測器探測，因此通過間接探測一個和頻光子就可以測量到一個信號光子的存在。同時，在這一和頻過程種也會產生其他的一些雜訊，由於科研人員採用了1950nm的泵浦光，相比於傳統的上轉換探測器在和頻過程的機理上就避免了部分雜訊，隨後，科研人員又選用了基於體布拉格光柵的窄帶濾波技術，大幅濾除了剩餘雜訊。最終，科研人員利用這種新型的上轉換單光子探測技術，不僅達到了傳統上轉換探測器的量子探測效率，還令雜訊降低了約兩個數量級。

第三個技術突破就是自由空間光束單模光纖耦合技術。在自由空間量子通信系統中，人們需要將自由空間的光子最大限度地傳輸到探測器中，同時盡量不引進雜訊光子，傳統的做法是增大接收視場提高接收效率，但此時引入雜訊也較大。使用單模光纖耦合接收自由空間光束，縮小接收視場進行空間濾波能有效抑制雜訊，但是，往往事難兩全，以往的單模光纖耦合效率又極低，只有0.1%，難以滿足量子通信的需要。而在這次的地面實驗中，科研人員發展改進了原有的自由空間光束單模光纖耦合技術，優化光路，採用最少的光學元件來搭建系統，有效減少光學衰減和畸變，同時，還發展了一套高速的光學跟蹤系統來穩定耦合效率，最終不僅讓降低雜訊約兩個數量級，還讓耦合效率達到了5-30%。

地上的一小步，必將成為天上的一大步

方案有了，如何驗證方案是否有效？就像墨子號衛星發射前，團隊成員們在青海等地無數次的測試一樣，這次，試驗的場地仍然選在了青海。

⬆ 圖二日光條件下53公里量子密鑰分發實驗鳥瞰圖

在美麗的青海湖兩岸，發送方Alice和接收方Bob相距53公里，在BB84協議下，發送量子密鑰[5]。而且，這是個升級版的BB84協議——誘騙態量子密鑰分發協議。

這個升級版的協議由是Won-Young Hwang提出、Xiang-Bin Wang, Hoi-Kwong Lo等人發展完善的量子密鑰分發方法。為什麼要有這個升級版呢？這是因為，理論上說，量子密鑰分發要求光源發射單光子，但由於真單光子源不成熟實際上多採用弱相干光子源，而再弱的相干光都存在多光子成分，可能發出兩個或更多光子。針對弱相干光的這一特點，攻擊者可以採取所謂的光子數分離攻擊（photon-number splitting，PNS）攻擊，竊取一個光子，剩餘光子傳給接收者，在不被發現的情況下就竊取了信息。

誘騙態量子密鑰分發協議就是用來抵禦PNS攻擊的。清華大學物理系的王向斌教授做過一個有趣的比喻：在量子密鑰分發中，單光子響應就是「健康的井水」，多光子響應就是「混在井水裡的致命毒液」，而有了誘騙態協議，人們可以在充分「蒸餾」掉 「致命毒液」的前提下，儘可能多地得到安全成碼率。

這次的地面實驗也是如此，發送方Alice隨機調製不同光強的信號態、誘騙態和真空態，光脈衝穿過青海湖上方的自由空間，發送給對岸的Bob，光子通過我們前面說到的單模光纖進入Bob的探測系統，Bob選取測量基矢，利用上轉換探測器探測后，發送到時間數字轉換器進行記錄分析。

實驗結果如何呢？

研究小組在日光下進行了多次實驗，分別得到了不同條件下的誤碼率、成碼率結果。結果表明，在全鏈路衰減48dB（大於星地、星間鏈路衰減）情況下，面對強大的太陽光雜訊，誤碼率最低可以達到1.65%，此時的安全密鑰成碼率為150bps，這意味著，太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發是可行的，人們向下一步構建基於量子衛星的星地、星間量子星座邁出了一大步。

小墨悄悄告訴你們一個秘密，這次實驗其實受到了地面各種因素限制，所以遠沒有達到技術極限，各項技術的使用都還有改善的空間。所以，等這些技術真的用到未來的星座網路，小墨相信安全傳輸距離和成碼率都還會有妥妥的進步噠。

墨子沙龍

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