“墨子号”实现1200km量子通信

今天在arXiv看到潘建伟老师组贴出了星地量子通信的最新实验结果arXiv 1707.00542(2017)。 赶紧下载尝个鲜，先睹为快。

先说下具体实验结果：采用3强度的诱骗态方案，实现了卫星地面相距1200km的量子密钥分发，安全码率为1.1kbit/s，约是相同长度光纤码率的20倍。

狭义的量子通信，就是指量子密钥分发（quantum key distribution， 简称QKD）。QKD是通过量子力学方法，使得通信双方分享一组共同的随机数。利用该随机数作为密钥，采用一次一密（one time pad）加密方案，即可实现通信的绝对安全。

量子通信经过近30年的发展，传播距离已经从最初的32cm, 发展到300km（光纤），安全码率达到Mbit/s量级。但是由于光纤本征的传输损耗（约为0.2dB/km）, 想要进一步提高量子通信在光纤中的传播距离，变得非常困难。受量子不可克隆原理的限制，量子信号不可以像经典光信号通过EDFA进行放大，从而延长传输距离。为了解决光纤损耗对传输距离的限制，人们提出了星地间量子通信的方案。由于大气层的有效厚度约为10km, 传输损耗较小，星地量子通信成为一种可行的方案。进一步可以建立星地量子通信网络，就是以卫星作为可信中继，通过少量的卫星，实现全球范围内的量子通信，示意图如下：

星地量子通信的原理比较简单，但实现起来面临的困难比较大。实验中采用下行（downlink）方案，波长850nm的信号光从轨道高度为500km的“墨子号”卫星发送到北京兴隆地面接收站。

为了提高信噪比，一方面要增大信号的功率，另一方面还要降低通道的损耗和背景噪声。该实验中的主要损耗有： 光束的衍射损耗、方向误差、大气扰动和吸收。文章中一一介绍了减小这些损耗的方案： 采用大可经的望远镜系统，最终的衍射损耗为22dB；高精度的多级追踪系统（APT=aquiring, pointing and tracking）, 追踪精度可以达到1.2urad, 方向误差小于3dB；大气扰动和吸收的损耗为3~8dB; 在时域和频域进行滤波，降低背景噪声。另外由于地面和卫星间的相对运动，光的偏振方向会发生改变，实验中对此效应进行了偏振补偿。这里不对这些技术细节做详细介绍。这些工程难题，介绍起来也就几句话，但实现起来还是非常困难的。

墨子号位于太阳同步轨道，每晚12点50分经过兴隆接收站，持续时间约5分钟（273 秒），5分钟之后卫星进入地球的阴影区就不能再进行实验。也就是说每天能进行量子通信的时间只有5分钟，还要天气情况良好。从去年8月16号墨子号发射成功开始，研究人员利用这仅有的每天5分钟时间，积累了大量的数据，呈现出最终的实验结果。还是非常令人钦佩的！

该实验结果是构建全球量子通信网络的里程碑。文章展望中提到，后续会进行以量子卫星为可信中继的多节点量子通信，发射轨道高度更高的卫星、建立量子卫星群来实现更大的覆盖面积和更长的有效工作时间，尝试日光条件下通讯波长的量子通信。十分期待他们的后续结果！

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望不吝指出！

参考文献：

1. S. K. Liao, et.al., Satellite-to-ground quantum key distribution, arXiv 1707.00542(2017).