全球首個(gè)海水量子通信實(shí)驗(yàn)成功

全球量子通信有望補(bǔ)上重要板塊———占地球表面積約70%的海洋。日前，上海交通大學(xué)金賢敏課題組實(shí)現(xiàn)了首個(gè)海水量子通信實(shí)驗(yàn)，觀察到了光子極化量子態(tài)和量子糾纏可以在高損耗和高散射的海水中保持量子特性，國際上首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水下量子通信的可行性。

該成果以“邁向自由空間海水中的量子通信”為題，發(fā)表在本月出版的國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)快報(bào)》，并被選為編輯推薦成果。英國《新科學(xué)家》《每日郵報(bào)》等都以“全球首個(gè)水下量子糾纏將導(dǎo)致不可破譯通信技術(shù)”為題作了報(bào)道，國際科學(xué)廣播類網(wǎng)站FQXI將該工作視為繼“墨子號”量子衛(wèi)星之后，中國在量子通信領(lǐng)域取得的又一里程碑成果。

海洋是全球量子通信的重要版圖，到目前為止，科學(xué)家已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明量子糾纏可以在大氣空間或光纖中傳播。但是否能在海水中傳播，此前美、英兩國相關(guān)研究卻一直止步于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2014年回國的金賢敏帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采集海水樣本，研究了光子在不同鹽度海水中的折射度并選擇合適光譜，最終將光子的極化作為信息編碼的載體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)取得了兩個(gè)主要結(jié)果：一是證明海水并非絕對的屏障或墻，量子糾纏可以穿透海水實(shí)現(xiàn)保密通信；二是重現(xiàn)了量子穿過海水過程的矩陣模型。

首次海水量子實(shí)驗(yàn)所用器材是一根3.3米的管道，盡管這個(gè)距離相較于實(shí)際應(yīng)用來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但在專家眼中，這“第一步”邁得相當(dāng)不錯(cuò)。要知道第一個(gè)大氣中的量子通信實(shí)驗(yàn)距離僅30厘米。

相比基于光纖和大氣空間信道的量子通信，將海水作為量子通信信道的難度更高?！昂Ｋ}度對光的折射率有影響，需要更精確地計(jì)算接收角度，而且許多理論研究都擔(dān)心海水中的微生物和懸浮顆粒會(huì)導(dǎo)致光子在傳播路徑上遭遇散射，從而使量子通信無法進(jìn)行?！苯鹳t敏說。

在發(fā)表文章的附錄中，金賢敏課題組給出了實(shí)驗(yàn)的意外收獲———可將微生物或懸浮顆粒等造成的散射都?xì)w于海水損耗，海水的耗量雖然很大，但光子只會(huì)丟失，不會(huì)發(fā)生量子比特翻轉(zhuǎn)?！熬褪怯幸魂?duì)光子要從A點(diǎn)走到B點(diǎn)，盡管一路上走丟了很多光子，但那些能走到B點(diǎn)的光子，就是較少受到散射干擾的，并沒有變成別的光子。靠這些走到B點(diǎn)的光子，仍然可以建立安全密鑰。”金賢敏說。

他也坦言，目前只是朝著水下量子通信邁出了第一步，離實(shí)現(xiàn)可實(shí)用化的水下、空海一體的量子通信連線和網(wǎng)絡(luò)還有很多工作要做，但是前景可期。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。