由于白天太阳带来强烈的背景噪声，量子密钥传输目前只能在夜间进行。对于量子通信而言，这是一个必须面对的重大挑战。

中国科学技术大学教授潘建伟领衔的研究小组，终于在国际上首次实现了白天远距离（53千米）自由空间的量子密钥分发实验，验证了日光条件下星间和星地之间量子密钥分发的可行性，为未来构建基于量子卫星的星地、星间量子通信网络扫清了一大关键技术障碍。7月24日，《自然·光子学》刊发了这一突破性研究成果。

图：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））。

▍量子卫星“怕见光”

“墨子号”作为世界首颗量子实验卫星，如果仅靠它单兵作战，至少需要三天才能完成全球范围内地面站点的覆盖。“墨子号”只是一个起点，从实用的角度来说，必须要构建由多颗低轨道卫星或高轨道卫星组成的量子星座，建立覆盖全球的实时量子通信网络。

但是，这种量子星座网络的实现有两大技术难题。“首先，量子卫星害怕阳光带来的背景噪声，微弱的光信号会淹没在强大的阳光里。只有当卫星绕到地球背面，太阳光被地球挡住时，卫星才能成功传送信号光。而且，黑夜和白天时间不等长，卫星越高，它能避开太阳光的几率就越小。对一个轨道高度36000千米的地球同步轨道卫星来说，能躲进地影区的概率不到1%。”潘建伟研究小组成员张强博士介绍。

对于实用化的量子卫星网络来说，另一个挑战是通信距离较远导致的链路损耗较大。“通信链路损耗典型值大于40分贝，在这个损耗下，若噪声大了，就很难安全成码。”张强说。

白天阳光照射噪声是夜晚的5个数量级以上，如何减少噪声，提高信噪比，是横亘在量子通信实用化道路上的一大关键障碍。

▍三大技术突破日光噪声

潘建伟团队通过巧妙选择工作波长、上转换单光子探测以及自由空间光束单模光纤耦合等三项突破性技术，对抗日光带来的背景噪声。

工作波长的选择很关键。由于噪声来源于太阳光，无论是直射光还是散射光，太阳光谱中波长为1550纳米的光成分较低，大气散射对该波段散射也较小。潘建伟团队用1550纳米波段的光子代替了之前700—900纳米波段光子，并优化了光学系统，将噪声降低超过一个数量级。

单光子探测器一直是量子通信领域的一个重要课题。本次实验采用的上转换单光子探测器，可将1550纳米的信号光和1950纳米的泵浦光在符合一定条件下，转换为和频后的可见光，之后再通过一系列的滤波技术将残余光和噪声滤掉，最后进入光纤。最终，利用上转换单光子探测技术，噪声被降低约两个数量级。

在自由空间光通信系统中，空间光束到单模光纤的耦合技术，是自由空间光通信系统中的关键技术之一。“以往实验中的单模光纤耦合效率极低，只有0.1%，难以满足量子通信的需要。本次实验中，我们发展了自由空间光束单模光纤耦合技术，采用最少的光学元件来搭建系统，并发展了光学跟踪系统来稳定耦合效率，降低噪声约两个数量级。同时耦合效率达到了5％—30%。”张强说。

▍未来还有技术提升空间

阳光灿烂的青海湖，两岸相距53公里，实验在湖两岸进行。

研究小组在1756秒的有效时间内得到了157179比特。结果表明，在全链路衰减48分贝。这一数值大于星地、星间链路衰减，其中包括14分贝的单模光纤耦合损耗和34分贝的信道损耗的情况下，误码率最低达到1.65%，验证了太阳光背景下开展星地、星间量子密钥分发的可行性，也为下一步构建量子星座打下基础。

事实上，面对期待已久的实验结果，研究团队坦言，这次的实验结果远没有达到技术极限，各项技术的使用都还有改善的空间。可以预见，未来安全传输距离和成码率都还会有大幅度提升，量子星座网络正向着实用化一步步走来。

文章链接：

Sheng-Kai Liao, et al, "Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication," Nature Photonics (2017), doi:10.1038/nphoton.2017.116

（本文来源：科技日报，作者：吴长锋；）

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