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纵观量子密钥分配技术发展

2017/7/4 9:57:00

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文章摘要:纵观量子密钥分配技术发展,杯弓市虎五保户密级,挑三检四歪酷铁芯。

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两个国际化研究团队的新成果显示,量子密钥分配技术(QKD)可能会进军天空和恒星的领域。 [图片由iStock提供]

来自加拿大、中国和德国三个国家的研究团队,已经从光纤中获得了称为量子密钥分配(QKD)的信息加密技术,并将其应用在了新的高度:飞行中的飞机和绕地球运动的卫星上。

为了准备加拿大量子通信航天器,安大略省滑铁卢大学的研究人员从地面发射机将安全的量子密钥上行传输到飞机上的接收机(Quantum Sci. Technol., doi:10.1088/2058-9565/aa701f)。全球范围来看,中国科学院的一个团队从国家的量子卫星上,向两个不同的地面站发送了纠缠的光子对(Science, doi:10.1126/science.aan3211)。而德国马克斯·普朗克光科学研究所的研究人员,能够对距离地球38000公里以外的卫星激光器所发射的量子态进行地面测量,而这些器件甚至并不是为量子通信设计的。(Optica, doi:10.1364/OPTICA.4.000611)。

是鸟、是飞机、是量子密钥分配

科学家已经将QKD作为一种不可破解的加密方案,进行了三十多年的研究,但是由于存在指数型损耗,如果光纤上的密钥大于几百公里的传输距离就不起作用了。短距离的QKD已被证明可用于手持设备以及从飞机与地面站的主要传输方式。然而,直到Waterloo实验,即使向上传输模式比向下传输方案需要更简单的机载设备,也没有人将量子密钥从地面发射机发送到一架移动的飞机上。

由Thomas Jennewein教授和博士生Christopher Pugh带领的滑铁卢大学量子计算研究所研究团队,为其QKD接收机使用了许多太空电子元器件,能够在未来的卫星中使用。位于安大略省南部的通用航空机场附近的地面发射机,采用了两台红外激光器和标准的BB84光子偏振协议(QKD技术由Charles H.Bennett和Gilles Brassard于1984年提出)。接收机搭载在一架研究用飞机上,由一个10cm口径的折射式望远镜和专门设计的传感器和控制器组成,包括分离量子和信标信号的分色镜。发射机和接收机都使用信标激光器和跟踪系统来帮助寻找对方。

该飞机在海拔约1.6km处进行了14次飞行,距离发射机的距离为3km至10km,飞机速度高达259km/h。研究团队基于14次飞行中的7次飞行记录了一个信号并提取了一个密钥,长达868kbit。根据加拿大研究团队实验,当接收机以模拟低地球轨道航天器的角速度移动时,设备能够保持毫米度的指向精度。实验为加拿大未来的量子加密和科学卫星任务奠定了基础。

通过卫星

去年8月,中国推出了世界上第一颗用于量子光学实验的卫星。现在来自多个中国学术机构的研究人员通过轨道卫星从两个距离很远的地面站发射了纠缠光子,实验正式命名为空间尺度的量子实验(QUESS),绰号为墨子。

研究团队在两个相距1203公里的地面站之间进行传输,QUESS与地面站之间的距离,西南的丽江和青海省北部的德宁哈,从500公里到2000公里不等。作者之一、中国科学技术大学的潘建伟把星载信息交换比喻成距离300米远观察到一根人类头发,或是从地球监测到来自月球上一根火柴火焰的单光子。

大多数光子损耗和湍流效应对自由空间的QKD的影响主要发生在大气层中较低的10公里,因为大多数光子的路径是近真空环境。中国研究人员为卫星和地面开发出稳定、明亮的双光子纠缠源,对于卫星和地面都能够采取先进的瞄准和跟踪技术。根据对接收信号的分析表明,光子仍然是纠缠态,违反了贝尔不等式。研究人员估计,这种连接比沿光纤等效长距离连接效率高出12至17个数量级。

潘建伟从2003年就开始试图进行空间量子通信,当时量子光学实验通常在屏蔽光学平台上进行。第二年,他通过13公里长的嘈杂地面环境进行了纠缠光子对分配实验。2010年和2012年,该团队将地面隐形传态范围扩大到16公里和100公里。 “通过这些在地面上进行这些研究,我们逐渐掌握了量子科学卫星的必要技术,例如高精度和高带宽采集、瞄准和跟踪。”潘建伟说。

而潘建伟表示,中国团队将继续在较远的距离进行量子光学实验,并计划在零重力条件下进行量子行为的初步测试。

利用现有工具

第三组实验——由OSA会员Christoph Marquardt领导的一个团队进行的,他同时是在德国埃尔兰根的马克斯·普朗克研究所的OSA研究员Gerd Leuchs的研究小组工作——德国政府与Tesat-Spacecom GmbH公司合作开展业务致力于卫星对地光通信。而且,这些实验采用了原来不曾用于量子通信的器件。

在德国的实验中,来自相对地球静止的轨道卫星Alphasat I-XL上的1065nm Nd:YAG激光通信终端(最初于2013年7月被放置在太空中)的相干光束,被西班牙特内里费泰德天文台可移动的光学终端接收。该终端配备了自适应光学系统,校正了相位失真,并将信号传输到单模光纤中,然后使用零差检测来获得量子特征。

为了表明通过湍流大气实现卫星与地面之间真正的量子连接是可能的,Max Planck的团队在卫星设备中使用了一个相位调制器,在与量子通信兼容的光场状态下编码若干二进制相位调制相干态。随着信号的放大和处理,研究人员能够可靠地从地面站接收到这些量子态,这些光束是“通过地球引力以及湍流大气传播38600公里的光束。”

Marquardt在一份新闻报道中指出:“我们非常惊讶,量子态如何在大气湍流之中幸存下来。实验表明,从卫星到地球的光束可能非常适合作为量子密钥分配网络运行——这是一个令人惊讶的发现,因为该系统不是用于量子通信。”根据研究结果他预测在短短五年内,这样一个网络“是可能的”。

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