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自由空间传输量子通信

       科学的真理不应在古代圣人那蒙着灰尘的书上去找,而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找。真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里面的。这本书就是宇宙,就是自然本身,人们必须去读它。    —伽利略(G.Galilei)
       10.8节已介绍了光纤传输量子通信。在光纤信道中光子的传输存在着固有损耗,在1550nm波段这个损耗的典型值为0.2dB/km,同时由于光纤的双折射效应(见2.3.4节),长距离传输后光子的相干性变得很差,因此光纤量子通信的通信距离也逐渐到达了瓶颈。相对于光纤信道,光子在自由空间传输过程中的衰减更小,而且大气中几乎不存在双折射效应,这也使得基于自由空间的量子通信近些年发展迅速。
        1989年,Bennett等人首次在桌面平台上完成了量子密钥分发的实验验证,通信距离为32cm。        2005年,潘建伟小组在合肥实现了13km的双向纠缠光子分发,在国际上首次验证了纠缠光子穿越等效大气厚度的可行性。
青海湖湖心岛的百千米级量子纠缠分发实验
图12.5.1青海湖湖心岛的百千米级量子纠缠分发实验
        2007年6月,一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组进行了大气量子通信距离144km实验。因为大气容易干扰光子脆弱的量子状态,而要达到更远的通信距离就很难。由于大气随高度增加而日趋稀薄,乘卫星旅行数千千米穿过的大气只相当于在地面上旅行8km。因此,科学家们想出了通过人造卫星发送光子的解决办法。
       2012年,潘建伟小组在青海湖实现了101km的自由空间量子纠缠分发实验,如图12.5.1所示。
       2018年1月,潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、国家天文台等,与奥地利科学院Anton Zeilinger研究组合作,利用“墨子号”量子科学实验卫星,在中国和奥地利之间首次实现距离达7600km的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信,如图12.5.2所示。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力,为未来构建全球化量子通信网络奠定了坚实基础。
中国和奥地利科学家进行的洲际量子保密通信网络示意图
图12.5.2中国和奥地利科学家进行的洲际量子保密通信网络示意图