潘建伟团队再突破：下一代量子通信卫星不再怕光

来源：澎湃新闻 Wp7lDx  
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    升空数月内，“墨子号”量子科学实验卫星就已完成了世界首次星地量子通信实验。不过，要真正实现实用化的覆盖全球的量子通信网络，仅靠单颗“墨子号”还不够，科学家们还要解决一些重要的问题：比如解决“墨子号”怕光问题、构建卫星星座网络，扩展通信时间等。。 1+wmR4o  
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中国科学技术大学潘建伟院士。  上海观察 图 [6+iR  
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　　“墨子号”十分“怕光”，目前的量子通信实验，都是在晴朗的夜晚中完成的。从三个方面发展关键技术，中国科学技术大学潘建伟团队在青海湖实现了白天远距离（53公里）自由空间里的量子密钥分发，令下一代量子通信卫星有望克服“怕光”的弱点，实现白天上岗。 p5RnFe
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　　相关论文发表在7月24日的英国《自然·光子学》期刊（Nature Photonics）上。 z$#q'+$  
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　　论文的第一作者、中科大副研究员廖胜凯告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），在设计“墨子号”的时候，他们就知道了“墨子号”无法白天工作。现在，“墨子号”大约有68%的时间暴露在阳光下，也就是说，只有不到一半的时间能够工作。而轨道越高的卫星如在地球同步轨道的通信卫星，能“躲”在地球阴影里的时间不到1%。 NXwthc3  
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　　因此，攻克白天远距离自由空间里的量子密钥分发，给有效扩展量子卫星的通信时间，提高实用性，进一步为搭建覆盖全球的量子通信星座打下了坚实的基础。 }_,
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　　三方面突破，解决“怕光”问题 <%d/"XNg[D  
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　　那么，“墨子号”到底为什么“怕光”呢？这是因为，白天阳光造成的噪声，比夜晚要高5个数量级。而基于量子不可克隆原理，量子通信信号无法像普通的通信信号一样放大。因而，保持足够高的信噪比，是白天量子通信要攻克的核心问题，廖胜凯介绍道。 Vf28R,~m  
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　　另一方面，在星地这样的远距离中，通信链路损耗较大，典型值大于40dB（dB是描述损耗倍数的单位，40dB和20bB差了两个数量级）。此前的白天量子密钥分发实验，最多只能在链路损耗约为20dB的状态下成码。 0PfjD  
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　　为了解决信噪比的问题，潘建伟团队从三个方面实现突破。首先，选择最合适波段的光子。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，这其中，波长为1550nm的成分较低，大气散射对该波段散射也较小。团队用这个波段的光子，代替了之前的700-900nm波段，并优化了光学系统，将噪声降低超过一个数量级。 6-"@j@l5<  
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　　其次，团队在探测器方面，利用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，实现了光谱窄带滤波，降低噪声约两个数量级。 'mwgHo<u  
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　　最后，团队发展自由空间光束单模光纤耦合技术。这是自由空间光通信的关键技术之一，能使自由空间光束的能量能最大限度地耦合到接收单模光纤中区。不过，以往实验中的耦合效率极低，难以满足量子通信的需要。这次，团队兼顾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。 "==fWf  
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　　综合这三项技术，潘建伟团队在青海湖相距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，在全链路衰减48dB（大于星地、星间链路衰减）情况下，误码率保持在1.65%左右，安全密钥成码率达到150bps。 W4MU^``   
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　　通向量子通信星座的必经一步 EJAk'L+nuH  
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　　目前，“墨子号”位于500公里高的近地轨道上，运行速度较快，而且受阳光、阴雨天气条件的限制，至少需要三天才能完成全球站点覆盖。廖胜凯介绍道，为了搭建全球量子通信网络，必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星，组建星座，尽可能实现在地球上的任意地点，只要天气条件合适，即可实践量子通信。 il8n K  
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　　随着星座中卫星轨道升高，对地面覆盖范围增加，同时卫星被太阳光照射的概率增大，如轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4%。可以说，实现白天自由空间远距离的量子密钥分发，证实了阳光下星地、星间量子通信的可行性，是通向量子通信星座的必经一步。