海水量子通信有哪些现实意义?

　　量子通信因其安全、保密等特性，不管是在军事领域还是商业领域，一直是关注的热点。

　　时至今日，已有多种量子通信方案被提出。如1984年Charles H.Bennett和Brassard提出BB84协议，该方案基于光子的偏振状态编码信息，利用量子力学中非正交基不能完全分辨的特性和量子不可克隆原理实现安全通信;1991年，Ekert提出E91方案，该方案是基于量子纠缠的量子密码术。而在实验上，由Bennet小组于1989年首次实现了大气自由空间30 cm的量子通信，随后，国际上关于量子通信的实验和研究如雨后春笋般蓬勃、迅速地发展起来。

　　中国作为一个新兴的量子信息研究国家，不断刷新基于大气自由空间信道和基于光纤信道的量子通信距离的世界纪录，创造了多个里程碑，随着2016年中国首个量子卫星“墨子号”的发射，基于自由空间的量子通信已实现上千公里的距离，并计划在未来实现覆盖全球的量子卫星通讯网络。

　　然而覆盖了地球70%的海洋是否可以被用作量子信道仍然是未知的。缺少了海洋，全球化的量子通信网是不完整的。目前基于光纤信道的水下量子密钥分发和量子隐形传态分别在日内瓦湖和多瑙河被实现，而基于自由空间的水下量子通信，仍尚未被探索过。作为实现全方位量子通信的重要组成部分，海水量子通信有着其独特地位。相比传统的水下声波通信的高路径损耗，窄带宽，高误码率，光学通信手段凸显出自身优势，更关键的是，它能保证无条件的信息安全性，而这也是通信中至关重要的一点。

　　海水作为量子通信信道可行吗?

　　为了验证海水作为量子通信信道的可行性，并不失一般性，我们在提取海水样本时，均取自大连市到獐子岛之间沿岸海域不同位置的表层海水，具体的6个样本点的经纬度坐标如图1的标注。

　　图1 实验中所选取的6个海水样本的经纬度坐标

　　首先我们将所有的样品依次盛放在一个3.3 m的玻璃密封水管内，对样品在紫光(405 nm)波段的衰减系数进行了测量，同时我们还选取了蒸馏水(取自上海交大化学系实验室)作为对比实验样本。

　　利用菲涅尔公式，并考虑到盐度、温度、输入激光的波长对海水折射率的影响，我们测得了海水样本的平均衰减系数为0.35365±0.0068 m-1，蒸馏水的衰减系数则为0.0807±0.0093 m-1。 Jerlov于1951根据每米海水中光的光谱透射系数，将海域进行分类，我们所选取的水域样本属于Jerlov水型1，根据Amsterdam: Elsevier scientific publishing资料所示：越远离海岸水的水样，水体样本中的悬浮粒子数量越少，激光在海水中的透过率越大，从而导致的信号的衰减量越小。在远离海岸线的远海区域，在作为海水激光通信的蓝绿窗口波段，洁净海水的衰减系数为0.018 m-1，以量子通信中可接受的70 dB损耗阈值来计算，可以预期的海水通信距离可以接近885 m，当然，这只是一步粗略的估计，真实环境下的几何损耗和海水湍流带来的影响会进一步缩短海水作为信道的通信距离。

　　什么样的量子态适合在海水中传输 ?

　　如果以光子极化作编码的量子态，这样的量子态能否在海水信道中存活，或者什么样的量子态适合在海水中传输而不发生退相干?

　　由于海水是一种各向同性的介质，虽然海水中溶解了大量盐和漂浮着微生物，但总体上海水不会对光子的极化产生很大的旋转或者退极化效应。少量水分子和各种悬浮颗粒引起的一定的退极化和横向角扩散，可以采用光纤收集，以有限的视场角来实现空间滤波滤除掉这些光子。

　　图2 单光子海水量子通信实验图

　　实验装置如图2所示，在图中半导体激光器的工作波长为405 nm，重复频率为50 MHz，其发射的脉冲光可通过强衰减变为准单光子源(平均0.3-0.6个光子每脉冲)。衰减前部分激光由光电探测器接收并将信号送入FPGA作为同步信号，可以实现时间符合滤波，以降低背景噪声的影响。

　　在实验中，光子被制备在6个基本极化编码初态上：

　　在经过海水信道后，在适当的极化补偿后，每个出射态在H/V，D/A，R/L三对正交矢上进行投影测量，从而可以重构出出射光子的量子态密度矩阵，并由公式

　　计算出射态投影到入射态上的保真度，具体的结果列在图3中(密度矩阵只截取了样本VI作为代表)，可见每个海水样本的每个入射基本态的保真度都高达98%以上。

图3 单光子海水量子通信与极化态测量结果

　　此外，还可以利用量子过程层析来刻画海水信道中初末态转化的物理过程，实验结果显示海水信道的综合作用类似于一个单位矩阵，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，极化编码的光子只会丢失，而不会发生不可接受的量子比特翻转，仍然可以被用于建立安全密钥。

　　海水中的量子纠缠特性是怎样的?

　　量子纠缠作为重要的资源，被广泛应用于量子信息科学，包括量子通信、量子隐形传态等。因此，研究海水对纠缠源品质影响，是探索未来海水量子通信实用化非常重要的一步，具体实验的装置图如图4。

　　图4 海水信道纠缠分发实验装置图

　　实验中的纠缠源是基于PPKTP晶体搭建的，功率为11 mW的405 nm激光作为抽运光，通过自发参量下转换产生一对中心波长为810 nm的简并光子对，采用双向抽运的实验方案，适当调节不同组份间的比重和相位差，制备出如下的最大纠缠态

　　实验方案为：将纠缠对中的一个光子进行本地投影测量，另一个分发通过水管后(满水管和空水管两种情况)再进行投影测量，并由双光子量子态层析方法测算得到经过海水微扰后的量子纠缠态的密度矩阵。

　　实验中纠缠源在本地进行测量时两路计数分别为30万和40万，符合计数约为每秒5.5万对。由于光学元器件、水管端面和海水的损耗，极化纠缠关联光子对中经传输的一路亮度由每秒30万降至2.8万，符合计数率降为每秒约30个(由于在红光波段海水会引入巨大损耗)。

　　通过在不同基矢组合下的投影测量，可以重构出双光子纠缠态的密度矩阵，如图5所示。

　　图5 (a)空水管(b)海水信道重构出的纠缠态密度矩阵

　　通过计算两个密度矩阵的保真度

　　可得到在有海水和没有海水的两种情况下纠缠对保真度为F=0.9946，由此可知海水对纠缠态的态信息几乎没有影响。

　　为更全面地描述纠缠光子通过水管后的纠缠特性，实验同时进行了纠缠光子对的极化关联曲线的测量和Bell不等式测量。

　　将纠缠光子对中的一个光子测量基矢量依次设为

　　的一个，再改变另一路的极化线偏振，从而测得不同情况下的符合计数，可得到纠缠光子的极化关联曲线，即图6中的(a)与(b)，应该注意到，正是海水对红外波段光子的超高损耗导致了(b)中超低的光子计数率。从图中的数据可以计算出当水管充满海水时纠缠光子对比度在H/V下由

　　(满水管情况下单个符合计数积累时间为120s)，对比度在D/A下由

　　图6 海水信道纠缠分发极化关联曲线测量结果

　　CHSH类型的Bell不等式测量是另一个重要的量子纠缠特性测量工具，定义光子对的关联函数为：

　　在不同的投影基矢下，可以测量不同的关联函数E，再由关联函数构建S参量值，具体可以表示为

　　由这些数据求得S值，对于理想最大纠缠态，S= 2√2 ;若算得S介于2和2√2之间，就说明检测的态是存在纠缠特性，可用来实现量子保密通信。

　　在空水管中，测量的S=2.6900±0.00738，通过海水信道分发后的纠缠光子S=2.6695±0.0203，以33个标准偏差破坏了CHSH不等式。

　　以上的3个实验充分证明了纠缠光子能够在海水信道保持其量子特性。

　　目前的实验结果预计水下量子通信可达到距离是在几百米量级，虽然相比于光纤和大气信道较短，但是能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经在军事和高商业机密的领域很有用了。

　　设想，即使是从水下几米深的地方对卫星和飞行器进行保密通信，也比之前认为海水是个绝对的屏障和禁区更进了一步。

　　目前只是朝着水下量子通信迈出了第一步，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，但是前景可期。

　　延伸阅读：

　　中国水下量子通信实验遭曝光，美日坐不住了要求分享技术

　　来源：科技这件事

　　近日，美国媒体报道，中国已经在近期解决了水下量子通信的关键性技术难题，并且成功完成了水下量子通信试验。中国的这项试验具有开创性和革命性，因为传统水下通信由于传播介质——水的不同，通信深度非常有限，通常只有一二十米，如果采用大功率天线系统和发射机发射超长电磁波，通信深度也不会超过200 m，但是现代潜艇的潜深早已经能够达到600 m，所以这个深度是远远不够的。

　　水下量子通信的革命性意义就在于，现在不需要大功率、大尺寸发射机也能够实现深海通信，潜艇不需要浮出水面就能实现与空中、陆地的通信，而且水下量子通信还能够实现水下救援、水下勘探、水下作业等任务，就像GPS那样能够对水下目标进行精准定位。水下量子通信如果发展成熟应用于实践，那么其前途不可限量，这个前途不仅仅是军事意义上的，更加体现在民用意义上。

　　对于中国在水下量子通信方面取得的成就，美国和日本这次都显得有些着急，美国专家发表文章称，水下量子通信技术的应用前景非常广泛，堪称水下GPS，而中国不应该独享这项技术，而是应该像美国把GPS共享到全世界那样共享水下量子通信技术。日本也有专家表示，期待同中国在该领域进行更多的合作与开发。

　　当然，美日的这种要求显得有些强词夺理，水下量子通信作为一项战略级技术具有潜在的军事用途，中国能够掌握这种技术也是几十年来苦心经营的结果，所以是万不可轻易公开的，美国分享了GPS技术不假，但是其中掺了多少水分，动了多少手脚，或许只有美国人自己心里清楚。

　　来源：“光电汇OESHOW”微信公众号

微信分享

x

用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

网站内容来源于互联网、原创，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请在 20个工作日内与我们取得联系，联系方式：021-80198330。网站及新媒体平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。