「墨子號」首次實現白天遠距離量子密鑰分發

科技日報合肥7月25日報導，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事在國際上首次實現了白天遠距離（53公裡）自由空間量子密鑰分發，通過地基實驗在信道損耗和噪聲水平方面驗證了未來構建基於量子星座的星地、星間量子通信網絡的可行性。相關成果7月24日在線發表於《自然·光子學》上。

中國科學技術大學潘建偉院士個人主頁

《自然·光子學》上成果論文截圖

基於衛星平臺的量子通信是構建覆蓋全球量子通信網絡最為可行的手段，「墨子號」目前已經在國際上成功實現了首次星地量子通信。然而由於陽光噪聲的影響，「墨子號」衛星只能在夜晚工作，單顆該類低軌道衛星至少需要三天才能完成全球範圍內地面站點的覆蓋。

為了提高通信覆蓋率，一種可行的解決途徑是構建由多顆衛星組成的量子星座，建立覆蓋全球的實時量子通信網絡。

為了構建量子星座，需要突破以下兩個技術難題：

一是通信距離較遠導致的鏈路損耗較大，星座通信鏈路損耗典型值大於40—45分貝；

二是隨著衛星軌道的升高，衛星被太陽光照射的概率增大。例如，軌道高度500km的「墨子號」衛星被太陽光照射的概率是68%，而軌道高度36000km的地球同步軌道衛星被太陽光照射的概率達99.4%，而白天陽光照射噪聲是夜晚的5個數量級以上。

量子星座為基礎的量子通信網絡示意圖（子圖a：不同波段大氣透過率曲線（1550nm波段約高於810nm波段），子圖b：太陽光譜分布圖（1550nm波段輻照度約為810nm波段的1/5））

為抑制白天陽光背景噪聲，潘建偉團隊從三個方面發展關鍵技術：陽光背景噪聲主要包括太陽光直射部分和經大氣分子散射部分，太陽光譜中1550納米波段光子成分較低，大氣散射對該波段散射也較小，利用這個特點採用1550納米波段光子開展實驗，優化光學系統，將噪聲降低超過一個數量級；發展頻率上轉換單光子探測技術，在保持單光子高效探測的同時，實現了光譜維度的窄帶濾波，降低噪聲約兩個數量級；發展自由空間光束單模光纖耦合技術，實現了高效耦合和空間維度的窄視場濾波，降低噪聲約兩個數量級。

量子秘鑰分發實驗示意圖

綜合這三項技術，研究小組在青海湖相距53公裡的兩點間完成了白天陽光背景下的量子密鑰分發實驗，在全鏈路衰減48dB（大於星地、星間鏈路衰減）情況下，誤碼率~1.65%，安全密鑰成碼率達到~150 bps。實驗結果驗證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發的可行性，為下一步構建量子星座打下了堅實的技術基礎。

《Nature Photonics》雜誌幾位審稿人稱讚該成果 「應對了白天自由空間量子密鑰分發的一個重要挑戰」（「addresses an important challenge for day-time operation of free-space QKD」），是一項「卓越的成就」（「a remarkable achievement」）。

該研究工作得到了中科院、基金委、科技部、教育部等部門的支持。