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量子空间竞赛升温

发布时间: 2017-08-20 15:21:51   作者:本站编辑   来源: Nat. Photon   浏览次数:

   

  卫星到地面量子密码传输将使全球化量子保密通讯成为可能。近期的四项突破预示着近十年内有望实现这一强大技术。

  保密通讯对当今社会至关重要,密码学的安全性基于不可预测的随机数的分配,发射和接收者记为AliceBob。随机数为256位长,可作为敏感通讯的密钥。为确保通讯安全,要保证密钥不被窃听者(记为Eve)偷取。今天,密钥分配主要基于公共密钥密码学原理,主要由解决诸如大数公因子等复杂数学问题的计算难度来限制。然而Eve可以通过监视和窃取AliceBob的公共密钥协议,并在未来采用先进的技术如量子计算机等,追溯性地读取过去的通讯内容。

  更加强大而可靠的保密措施,建立在量子物理的法则上,可采用量子密钥分配QKD实现光子领域的密钥分配。最近在Nature PhotonicsScienceOptica上四篇独立报道的研究结果采用卫星到地面的QKD技术,使全球尺度保密通讯成为了可能。QKD技术由IBM公司的Charles Bennett和蒙特利尔大学的Gilles Brassard1984年发明,他们的QKD协议被称为BB84:即Alice建立一套与Bob的共享密钥,通过传输单光子序列来实现,其中光子偏振由四个态组合成,而Bob从光子中提取出密钥。密钥的安全性由以下两个量子物理原理实现:一个是不可克隆原理,这禁止了对量子态的完全复制;另一个是不确定性原理。

  90年代研究人员指出QKD技术将由光子技术和光纤通信技术等实现,另外衰减的激光脉冲(平均含一个光子)也可代替技术更为复杂的单光子源。QKD技术目前在多个国家城市尺度的光纤网络上已经实现了。然而这带来了一个新的困境:Alice不能简单地通过提高光的传输功率来提高传输距离,因为增加光子数将导致窃取。且随着传输距离的提升,Bob所接收的量子比特误码率也会增加。

  90年代后期研究人员提出自由空间传输,或者星地间量子通信将客服光纤QKD的限制。而且,大气在800nm1550nm具有低损耗传输窗口。2000-2010年中期,北美和欧洲的研究人员报道了夜间数千公里QKD的实现,这取决于精确的解谱,时空滤波等,从而降低地面的光子噪声。另外一项技术即采用BB84发射器,工作在800nm波长的方案,这采用的是卫星传输而不是地面,其中卫星在低地轨道具有10~30cm的发射窗口尺寸。1米直径的地基接收望远镜系统已经广泛应用于卫星光通信,传输距离可达1000km量级。然而,因为星地QKD将是一个全新的技术,在轨测试至关重要。

  1. 星地量子通讯示意图

  首先,在轨卫星的尺寸,重量,功率等均有限制。此外低地轨道卫星将进入多普勒频移。再者,接收端也需与发射端的偏振测量精确匹配。近期中国,日本等研究团队开展了在轨卫星实验。日本研究人员设计了一个重量仅为5.9千克的激光通信终端。地面基站则为1米直径。虽然研究范畴并不包括完整的QKD协议,但是研究结果已表明可进行低轨道实验。为保持绝对安全的QKD,发射机的量子信号需要处于单光子水平,这需要接收端保持极低的量子误码率,即要求精确的指向机械系统如快速转向镜精确地将光束发射至地面。中国科大研究人员此次报道了中国墨子号卫星800纳米偏振纠缠光子对传输实验。每一对中的一个光子被发射到米量级的地面基站,而与其配对光子则被发射到第二个光学基站,两个基站相距1203km,实验结果表明超过100个光子对被两个基站探测到,并且光子之间保持着纠缠态。

  德国马普研究所报道了第一次在量子极限水平探测同步通讯卫星的光学信号。1064nm的量子态由飞船发射,并由西班牙的地面光学基站探测。结果表明了量子通讯的新途径,即采用相位编码代替偏振。这些结果表明了卫星QKD的技术可行性,开启了全球尺度的量子保密通讯的途径。

  摘译自:Richard J. Hughes and Jane E. Nordholt, Quantum space race heats up. Nat. Photon. Vol 11, August 2017

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