中国科学家再次领跑国际量子通信研究 上海交大完成世界首个海水量子通信实验

图说：科研人员在实验室超冷原子平台工作　来源／东方IC

　　新民晚报讯（记者 易蓉）就在本月，中国科学家团队利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次实现从卫星到地面的量子秘钥分发，完成量子通信领域从理论到实用化的飞跃。近日，中国科学家再次领跑国际量子通信研究，上海交通大学金贤敏课题组完成了世界首个海水量子通信实验，观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性，这是在国际上首次通过实验验证水下量子通信的可行性，这意味着量子通信网络真正可以“上天、下海、入地”，海空一体的量子通信网络也将在未来有望实现。该研究成果发表在8月的国际光学领域著名期刊《光学快报》（Optics Express）上，并被选为编辑推荐（Editors’ Pick）。

　　海洋能够被用作量子信道吗？

　　基于光纤和自由空间大气信道的量子通信已经被证明是可行的，量子通信已经实现“上天、入地”，但覆盖地球70%的海洋还仍是这项新一代信息技术尚未“打通”的领域，海洋能够被用作量子信道吗？与光纤和大气相比，海水中的悬浮物和盐度对光子导致的散射和损耗效应要大得多，这些海洋中的“迷雾”神秘、复杂，也令许多科学家却步。上海交大物理与天文系特别研究员金贤敏却发现，400-500纳米波段的蓝绿光能够相对损耗较小地穿过海水，这个“蓝绿窗口”加上海水的各向同性使得水下量子通信理论可行。从2014年起，课题组就开始了海水量子通信的研究，希望为建立完整的全球化量子通信网创造可能。

　　信息编码的载体：光子的极化

　　金贤敏介绍，课题组选择了光子的极化作为信息编码的载体，通过实验发现，在非常大的损耗和散射情况下，极化编码的光子只会丢失，而不会发生以往研究认为的量子比特翻转。“也就是说，即使经历了海水巨大的信道损耗，只要有少量的单光子存活下来，仍然可以被用于建立安全密钥。”他说。该工作发表后立即被国际科学杂志NewScientist以“首个水下量子纠缠将导致不可破译通信技术”为题进行了报道，加拿大量子卫星项目负责人Thomas Jennewein指出，虽然以前也讨论过水下量子通信的想法，但是迄今还没有看到任何人做过这样的实验。同日，TheNextWeb（TNW）以“科学家发展了基于海水传态的不可破译通信技术”为题进行了报道。FQXI将该工作视为继墨子号量子卫星之后，中国在量子通信领域取得的又一里程碑工作。之后，GIZMODO，USweekly，RealClearScience也进行了跟踪报道。

　　海空一体的量子通信前景可期

　　目前团队正进行百米量级的实验，虽比光纤和大气信道较短，但已打破水中禁区，对水下百米量级的潜艇和传感网络节点等进行保密通信已可预见影响，在军事和高商业机密领域都能大显身手。课题组表示，考虑到海水不同盐度影响，在具体编码、操控、探测等环节都还需逐步开垦，离实现可实用化的水下、空海一体的量子通信连线和网络还有很多工作要做，但研究者仍有信心进一步突破海水屏障。“海水的‘蓝绿窗口’与大气窗口有一定波段的重叠，这意味着海空一体的量子通信前景可期。”金贤敏说。