作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 一个城市计量吸入器-QKD实验的概念图形
望远镜位于高层建筑中，用于传输编码光子
大气湍流存在于传输通道的每一处，是光子在探测终端保持空间模式的主要挑战
信用:郑尧/米修斯沙龙
量子密钥分发(QKD)是一种技术，它使用部分基于量子力学的加密协议来实现设备之间的安全通信
这种通信方法最终允许双方使用其他方未知的唯一密钥来加密和解密彼此发送的消息
与测量设备无关的量子密钥分发(MDI-QKD)是一种独特的协议，它有助于创建具有不可信设备的更安全的QKD网络
该协议可以实现基于QKD的远距离通信，以及更高的密钥生产率和更可靠的网络验证
迄今为止，QKD计量吸入器仅使用光纤成功实施
另一方面，在自由空间信道上实现协议被证明是非常具有挑战性的
由中国科技大学的简-潘蔚领导的一个研究小组最近首次通过自由空间渠道演示了远程和安全的MDI-QKD
他们的论文发表在《物理评论快报》上，可以为基于卫星的QKD计量吸入器的实现铺平道路
“QKD的最终目标是实现一个全球规模的量子安全通信网络，”进行这项研究的研究人员之一张强告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“为了实现这一宏伟目标，需要应对两个主要挑战
一是缩小QKD理论与实践的差距，二是扩大QKD的距离
我们最近工作的目标是解决这两个困难
" 理论上，QKD利用物理定律为通信提供了更大的安全性
然而，真实设备的缺陷和漏洞可能导致与用于执行安全分析的模型的偏差
计量吸入器-QKD议定书可以通过立即堵塞所有检测漏洞来帮助应对这一挑战
此外，它可以通过包含诱饵状态来提高真实设备上QKD实现的性能和安全性
基于卫星的QKD实现可以延长这种安全通信的距离，因为它们能够降低传输损耗，并在空间实现可忽略不计的消相干
通过将MDI-QKD从光纤扩展到自由空间信道，潘和他的同事的工作可能是利用卫星大规模实现MDI-QKD协议的第一步
基于卫星的计量吸入器-QKD的可能配置
(a)卫星起着探测终端的作用，而两个地面站通过上行链路向卫星发送光子
地面站起着探测终端的作用
地面光纤网络中的用户通过地面站与卫星共享密钥
三颗卫星之间的QKD计量吸入器
信用:曹等
“虽然在我们的研究之前已经进行了几个基于光纤的MDI-QKD实验，但没有一个实验证明了自由空间信道协议的可行性，”张说
“主要原因是由大气湍流引起的振幅和相位波动使得难以保持独立光子之间在空间、时间和光谱模式方面的不可区分性
" 由于大气湍流通常会破坏独立光子之间的空间模式，MDI-QKD实现通常需要在应用干涉测量技术之前使用单模光纤来执行空间滤波
然而，使用单模光纤耦合光子通常会导致低耦合效率和强度波动
为了解决这个问题，研究人员开发了一种新的自适应光学系统，提高了通道的整体效率
“由于光强的快速波动使得共享时间-频率参考变得困难，我们开发了新技术来实现位于远处的独立光子源之间的高精度时间同步和频率锁定，以保持时间和光谱模式的不可区分性，”张解释说
“由于这些技术突破，我们完成了一项以前似乎不可能完成的任务
" 这项研究是迈向大规模实施QKD并利用它来确保远距离通信的一个重要里程碑
此外，研究人员首次在长距离大气信道中实现了光子干涉
这可能为涉及量子干涉的复杂类型的量子信息处理的发展开辟令人兴奋的可能性，例如量子纠缠交换和量子隐形传态
它也可以提供新的方法来测试量子力学和重力的界面
研究人员的长期目标是展示基于卫星的QKD计量吸入器，并最终建立一个全球量子网络
然而，要做到这一点，他们首先需要克服一些额外的挑战
“这些挑战之一是主要由大气波动引起的高损耗，”张解释说
“在基于卫星的QKD计量吸入器的最直接的配置中，卫星起着探测终端的作用(即
e
两个地面站通过“上行链路”向卫星发送光子)
米丘斯卫星测得的信道损耗距离海拔5100英里的地面站约为41 ~ 52分贝
从较低高度的地面站来看，损失可能要高得多
单模光纤耦合效率是损耗的另一个来源，这对于现有的多模干涉QKD系统也非常重要
" 因此，为了实现有效的基于卫星的QKD计量吸入器，研究人员首先需要改进现有的光子穿越自由空间通道的方法
为了做到这一点，他们到目前为止已经开发了一个自适应光学系统和一个提高自由空间信道效率的算法
在接下来的研究中，他们计划创造其他算法和技术来改善整个传输通道
“我们希望克服的第二个挑战与卫星运动有关，”张补充说
“由于预计信号脉冲在检测终端的时域中会重叠，因此需要对卫星轨道进行非常精确的预测，而且每个编码脉冲的发射时间也应该精确计时，以便它们最终能够在检测终端很好地重叠
另一方面，多普勒频移是频率失配的一个重要来源，这对于直升机操作监测系统干扰来说是令人讨厌的
为了补偿，每个编码脉冲的频率也应该精确地偏移
在解决了所有这些技术挑战之后，我们相信我们将能够实现基于卫星的QKD计量吸入器
"
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