星地量子通信地基验证试验完成

近日，中国科学院合作创新团队在中国科技大学潘剑伟院士带领下，首次在世界范围内成功完成了全方位的星地量子密钥分配基础验证测试。通过基础实验证明，该工作可以克服卫星与地球之间相对运动带来的困难以及卫星与地球链路之间的高衰减等不利因素，为未来实现基于星地量子通信的全球量子网络奠定了坚实的技术基础。中国科学技术大学微尺度材料科学国家实验室潘建伟院士和他的同事，以及中国科学院上海技术物理研究所的和光电技术研究所的黄组成的合作创新团队，首次在世界范围内成功实现了星地量子密钥分发的全面地面验证，为未来实现基于星地量子通信的全球量子网络奠定了坚实的技术基础。该研究结果于5月1日以长篇文章的形式发表在国际权威学术期刊《自然光子学》7，387–393(2013)上。这是继去年实现100公里*空间量子态的拓扑量子纠错、隐形传态和纠缠分布的实验之后，中国科学院量子科学与技术试点项目取得的又一重大突破。这也是量子信息与量子科学技术前沿合作创新中心的最新重要成果。

量子密钥分发是第一个有望应用的量子信息技术。其物理原理所保证的无条件安全性促使科学家们致力于全球量子密钥分配的研究。要实现全球量子密钥分发网络，人们需要突破距离的限制。目前，由于光纤损耗和探测器缺陷的限制，以光纤为信道的量子密钥分发距离已经基本达到极限。然而，由于地球曲率和距离可见度的限制，量子密钥在地面之间的*空间中的分布也很难达到更远的距离。因此，为了实现更长距离甚至任意两点的量子密钥分发，基于低轨卫星的量子密钥分发已经成为最有潜力和最可行的方案。理论分析表明，大气传输损耗、量子信道效率、背景噪声等问题是低轨卫星平台方案需要克服的重要问题。特别是，低地球轨道卫星和地面站总是高速相对运动。如何在角速度、角加速度、随机振动等条件下建立高效稳定的量子信道。在低轨卫星平台上实现量子密钥分发面临的关键问题是保持信道效率和降低量子密钥差错率。

为了克服上述星地量子密钥分配的困难，中国科学院协同创新团队在中国科学技术大学上海研究院、上海理工大学和中国科学院光电技术研究所开展了多年的合作技术研究。自主研发了高速诱饵态量子密钥分发光源和便携式收发器，自主研发了高精度跟踪指向、高精度同步、高信噪比、高衰减链路下低误码率单光子探测等关键技术。在此基础上，合作创新团队利用旋转平台模拟低轨卫星的角速度和角加速度，利用热气球模拟随机振动和卫星姿态，利用100公里地面*空间通道模拟卫星与地球之间的高衰减链路通道，成功验证了卫星与地球之间安全量子通道的可行性。

上述研究为我国发射量子科学实验卫星，实现基于星地量子通信的全球量子网络，检验大规模量子理论的基础，探索量子理论与爱因斯坦广义相对论的融合奠定了必要的技术基础。由于基础研究对量子密钥分配实际应用的重要性，《自然光子学》还报道了德国慕尼黑大学研究小组关于飞机和地面之间量子密钥分配的重要实验结果，以及法国国家研究中心关于连续变量的长距离量子密钥分配的联合小组的重要实验结果。(来源:国家微型材料科学实验室)