白天也能“看到”的量子星座？科学家妙手添花，量子通信实验研究又进一大步

世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”已在2016年8月成功发射，并且漂亮的完成了既定的三个任务，相关论文已被Science、Nature等顶级科研杂志接收，很快就将全部刊发。

但是，工作还远远没有结束，在小墨工作的中国科大上海研究院，中科大潘建伟团队的科学家们除了默默的为了“墨子号”正常工作保驾护航，他们还有一个更宏伟的计划。科学家们告诉小墨，“墨子号”只是庞大的“量子星座”计划中漂亮的第一步，接下来，他们计划发射多颗低轨或高轨卫星，建立起覆盖全球的实时量子通信网络。

为了实现这个宏伟的计划，科学家们的工作重中之重就是提高量子卫星的工作效率，对于天上卫星来说，白天的时间必夜晚长很多，所以最需要解决的，就是保障量子卫星在白天也能顺利、高效的工作。

从一颗到一群，建设量子星座没那么简单

对于现在这颗“墨子号”卫星来说，如果只有它这么一颗卫星拼命绕着地球跑啊跑，至少也得三天才能覆盖到地面每个站点。科学家们一直希望构建一种立体化的卫星网络，包括多颗低轨或高轨卫星，建立起覆盖全球的实时量子通信网络。科学家们说，这种网络叫做“量子星座”。

可是，建一个星座并不像小墨以为的那样多放几个“墨子号”就行，它有很多技术阻碍。比如说吧，现在的“墨子号”只能在看不见太阳的时候工作。为什么呢？因为量子信号是微弱的单光子，而太阳光太强了，白天阳光照射噪声是夜晚的5个数量级以上，分分钟就把信号光子淹没了。而且这个问题会随着卫星轨道升高变得越来越棘手，因为轨道越高，地影区就越小，卫星能躲开太阳的几率就越小（图一）。

现在，轨道高度500km的“墨子号”卫星被太阳光照射的概率是68%，而轨道高度36000km的地球同步轨道卫星被太阳光照射的概率达99.4%。此外，还有一个问题就是：远距离通信必然造成链路损耗很大，科学家估计，星座通信链路损耗典型值大于40-45dB，至少要保证在这么大的损耗、并且有阳光背景大噪声的情况下，仍能安全成码，咱们的“星座”才能真正用得起来。

⬆ 图一量子星座为基础的量子通信网络示意图

子图a：不同波段大气透过率曲线（1550nm波段约高于810nm波段），

子图b：太阳光谱分布图（1550nm波段辐照度约为810nm波段的1/5）

两个问题，三大对策，噪声去无踪，通信更出众

上部分提到的建设量子星座技术难点，总结起来，其实就是两个问题：降低背景噪声，提高信噪比。

为了压制日光带来的背景噪声，中国科大潘建伟团队的科学家想了很多办法，并在青海湖进行了地面实验，验证这些办法是不是可行。

首先，从源头上，尽可能避开太阳光。科学家发现，在太阳的光谱中，1550 nm及以上波段成分较少（图一b），大气散射对这个波段散射也较小，我们如果用这个波段的光子作为信号光，那么背景噪声不就相对低很多了吗？所以，这次科学家放弃了以往常用的700-900nm光子，而采用了1550nm波段的光子作为信号光，再对光学系统进行了优化，成功地令太阳光噪声降低超过一个数量级。

然后呢，科学家还在探测器上想办法。科学家希望能做成一种探测器，用来尽可能高效地探测单光子信号，同时尽可能将噪声滤掉。可是，目前性能最好的硅单光子探测器并不能来直接探测1550nm信号，同时1550nm这一波段现存的探测器性能都无法在外场环境满足实验需求，这可怎么办呢？

科学家研发了一种新型“上转换探测器”。这种探测器利用了一种被称之为非线性和频的作用，可以将一个1550nm的信号光和一个1950nm的泵浦光合并成一个860nm的和频光，三者一一对应，而产生的和频光不仅保持了1550nm信号光的量子特性，还可以被性能最优的硅单光子探测器探测，因此通过间接探测一个和频光子就可以测量到一个信号光子的存在。同时，在这一和频过程种也会产生其他的一些噪声，由于我们采用了1950nm的泵浦光，相比于传统的上转换探测器在和频过程的机理上就避免了部分噪声，随后，我们又选用了基于体布拉格光栅的窄带滤波技术，大幅滤除了剩余噪声。最终，科研人员利用这种新型的上转换单光子探测技术，不仅达到了传统上转换探测器的量子探测效率，还令噪声降低了约两个数量级。

第三个技术突破就是自由空间光束单模光纤耦合技术。在自由空间量子通信系统中，人们需要将自由空间的光子最大限度地传输到探测器中，同时尽量不引进噪声光子，传统的做法是增大接收视场提高接收效率，但此时引入噪声也较大。使用单模光纤耦合接收自由空间光束，缩小接收视场进行空间滤波能有效抑制噪声，但是，往往事难两全，以往的单模光纤耦合效率又极低，只有0.1%，难以满足量子通信的需要。而在这次的地面实验中，科研人员发展改进了原有的自由空间光束单模光纤耦合技术，优化光路，采用最少的光学元件来搭建系统，有效减少光学衰减和畸变，同时，还发展了一套高速的光学跟踪系统来稳定耦合效率，最终不仅让降低噪声约两个数量级，还让耦合效率达到了5-30%。

地上的一小步，必将成为天上的一大步

方案有了，如何验证方案是否有效？就像墨子号卫星发射前，团队成员们在青海等地无数次的测试一样，这次，试验的场地仍然选在了青海。

⬆ 图二日光条件下53公里量子密钥分发实验鸟瞰图

在美丽的青海湖两岸，发送方Alice和接收方Bob相距53公里，在BB84协议下，发送量子密钥[5]。而且，这是个升级版的BB84协议——诱骗态量子密钥分发协议。

这个升级版的协议由是Won-Young Hwang提出、Xiang-Bin Wang, Hoi-Kwong Lo等人发展完善的量子密钥分发方法。为什么要有这个升级版呢？这是因为，理论上说，量子密钥分发要求光源发射单光子，但由于真单光子源不成熟实际上多采用弱相干光子源，而再弱的相干光都存在多光子成分，可能发出两个或更多光子。针对弱相干光的这一特点，攻击者可以采取所谓的光子数分离攻击（photon-number splitting，PNS）攻击，窃取一个光子，剩余光子传给接收者，在不被发现的情况下就窃取了信息。

诱骗态量子密钥分发协议就是用来抵御PNS攻击的。清华大学物理系的王向斌教授做过一个有趣的比喻：在量子密钥分发中，单光子响应就是“健康的井水”，多光子响应就是“混在井水里的致命毒液”，而有了诱骗态协议，人们可以在充分“蒸馏”掉 “致命毒液”的前提下，尽可能多地得到安全成码率。

这次的地面实验也是如此，发送方Alice随机调制不同光强的信号态、诱骗态和真空态，光脉冲穿过青海湖上方的自由空间，发送给对岸的Bob，光子通过我们前面说到的单模光纤进入Bob的探测系统，Bob选取测量基矢，利用上转换探测器探测后，发送到时间数字转换器进行记录分析。

实验结果如何呢？

研究小组在日光下进行了多次实验，分别得到了不同条件下的误码率、成码率结果。结果表明，在全链路衰减48dB（大于星地、星间链路衰减）情况下，面对强大的太阳光噪声，误码率最低可以达到1.65%，此时的安全密钥成码率为150bps，这意味着，太阳光背景下开展星地、星间量子密钥分发是可行的，人们向下一步构建基于量子卫星的星地、星间量子星座迈出了一大步。

小墨悄悄告诉你们一个秘密，这次实验其实受到了地面各种因素限制，所以远没有达到技术极限，各项技术的使用都还有改善的空间。所以，等这些技术真的用到未来的星座网络，小墨相信安全传输距离和成码率都还会有妥妥的进步哒。

墨子沙龙

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