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单光子交换改善地球到太空的量子通讯

2008-06-03 15:09
逆光飞舞
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Trajectory, h =1000-8000km         轨迹高度= 1000-8000公里
Satellite with reflectors              带反射器的卫星
Uplink                           上行链路
Downlink                         下行链路
Downlink into FOV of receiver        进入接收机视场的下行链路

   2008年5月30日—意大利和奥地利的科研人员成功地把单光子从地球发往低轨卫星又接收回来后, 从而向建立宇宙空间的量子通讯链路又迈进了一步。一条自由空间里的量子信道,通常是通过发射机和接收机之间的偏振交换或相位编码光子来传送信号的。它是极度安全的量子通讯、量子力学实验和最终超太空隐形传送的基础。用光子进行自由空间通讯的困难是: 光子经过长途跋涉后很难探测到它们。 最近的自由空间光子链路的尝试已经把单光子传送到了144公里,但是光束被大气、环境震动和其他的障碍物所阻挡,使得更长距离的传输变得非常困难或不可能。

   现在,由帕多瓦大学光学和激光纳米技术教授Paolo Villoresi 为首的科研人员把量子空间链路的概念推到一个新的高度, 就是说,他们能在1500公里的距离发送和接收单光子。这些科研人员使用在意大利马特拉的马特拉激光观测天文台(MLRO)来把弱激光脉冲导向在卫星激光测距(SLR)网络内的轨道卫星,SLR卫星带有三面直角棱角反射器,能够以完全相同的回路把光信号反射到发射源。科研人员选择了通常能使每脉冲小于1 个光子的参数来模拟单光子源, 因为信号只能直接传到大气层8公里处, 在没有任何有害大气或地理影响下 ,链路可以建立起来。

   意大利帕多瓦大学教授Paolo Villoresi在美国城市圣何塞举行的2008 CLEO/QELS大会发表了题为“从低轨卫星到地球的量子信道的试验研究”论文,该团队科研人员发射重复频率为17kHz,持续时间为700ps 的一系列532nm的脉冲, 每一脉冲的能量为490nJ. 脉冲是通过1.5米的MLRO(马特拉激光观测天文台)望远镜发送到几个SLR(卫星激光测距)卫星的, MLRO望远镜装有门控硅雪崩光电二级管探测器和原子钟, 用来记录光子发出和返回的时序。预期的探测器计数频率非常接近完美数值(每发4.6个光子),这在SLR 卫星Ajisai中能反映出来,此卫星是一个2.5米的球面、由1436个向后发射器覆盖、在近地点为1485公里的高度绕轨而行。

   带偏振或相位信息编码的单光子是保证量子加密、安全通讯的关键。这种系统需要有能力区分哪些光子是信息的一部分, 并识别它们。在一个狭窄到30 arcsec的最佳观测带,利用一个干涉带通滤波器和一个低散射格兰偏振器,科研人员能够从那些经过1500公里传输返回的大量光子中辨认返回光子,精确的事件计时器与美国国际激光测距服务(International Laser Ranging Service,简称ILRS)数据库完全同步。精度可达到大于 1ns . 脉冲中的一个光子的平均返回时间Δt = 5 ns,与预期的相符。科研人员证实对于不同的temporal bin尺寸,返回时间是稳定的。基于对Ajisai.卫星的观察,整个系统顺着光路衰减−157 dB,不过这与光子返回速率有关。
   
   Villores说: “我们的实验是对从地球获得的科学数据的延伸。它强调了用现有的技术实现太空到地球的量子通讯的可行性。对诸如一些隐形传送、量子密钥分发和太空时间行为等基础问题的研究, 也很有用处。”Villoresi 和他的科研人员下一步的工作是,与维也纳的奥地利科学院和意大利宇航局合作,设计一个带发射机的有效载荷,这个发射机将安装在绕轨道而行的空间站上, 或许,最终研究星载纠缠光子源的实用性。(编译:饶初红)

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