胡琤球/編譯

首個(gè)海水量子傳輸或?qū)㈤_創(chuàng)水下絕密通信

胡琤球/編譯

● 神奇的量子力學(xué)將在水下通訊領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。中國上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)糾纏光子在海水中的傳輸，他們邁出了水下量子通信的第一步，而通過這種方式傳遞的信息將不可能被第三方截獲。

光子是一種很好的量子比特的物理實(shí)現(xiàn)，因其能在光纖和大氣中傳輸很長(zhǎng)距離卻不會(huì)受到環(huán)境干擾。脈沖激光通過非線性晶體進(jìn)行相應(yīng)的相位匹配，產(chǎn)生一對(duì)下轉(zhuǎn)換光子。這對(duì)具有特殊聯(lián)系的光子就是糾纏光子源。只要對(duì)糾纏光子源中的一個(gè)光子做操作，另一個(gè)光子會(huì)相應(yīng)發(fā)生反應(yīng)。舉例來說，如果測(cè)量其中一個(gè)光子的極化，另一個(gè)光子的極化就會(huì)塌縮到與前者相反的極化上。

這些糾纏光子源理論上就可以在通信雙方之間建立一條安全通信信道，量子力學(xué)的基本法則保證了通信的保密性。但這樣的量子態(tài)十分脆弱，很容易受到周圍環(huán)境的影響。目前為止，糾纏光子能夠在大氣、真空和光纖中遠(yuǎn)距離傳輸并保持糾纏特性。而在海水中，很強(qiáng)的吸收和散射看起來對(duì)光的傳輸非常不利，這也是為什么海水乍看起來并不是量子通信的好的介質(zhì)。

藍(lán)綠窗口創(chuàng)造機(jī)會(huì)

金賢敏團(tuán)隊(duì)克服這個(gè)困難的方法是利用405納米波長(zhǎng)的光子，這個(gè)波段位于海水的“藍(lán)綠窗口”，在此窗口內(nèi)，海水的吸收較其他波段弱。而且，他們利用光子的極化做編碼，海水是一種各向同性介質(zhì)，不會(huì)有很強(qiáng)的退極化效應(yīng)，這就為極化編碼的量子比特穿越海水提供了前提。他們的實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了光子的極化能在海水分子的多次碰撞中存活并傳輸——任何可能發(fā)生退極化的光子都可以通過濾波的方式予以濾除。

金賢敏團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)顯示，基于405納米波長(zhǎng)光子的量子比特能以高于98%的保真度在3米的海水信道中傳輸。同時(shí)，他們也用810納米波長(zhǎng)的糾纏光子源做了實(shí)驗(yàn)。將糾纏光子源中的一個(gè)穿過海水，另一個(gè)做本地測(cè)量。盡管海水對(duì)810納米光子的吸收作用300倍于405納米波長(zhǎng)的光子，但經(jīng)過3米長(zhǎng)的海水信道，仍能以很高的保真度保持其糾纏的特性。

相比中國的量子通信衛(wèi)星能將糾纏光子從衛(wèi)星分發(fā)到長(zhǎng)達(dá)1 200公里外的地表，3米的海水通信距離顯得不那么令人驚訝。但是金賢敏指出，這僅僅是一個(gè)開端。他的團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算，指出海水量子通信距離可能接近900米，而過去計(jì)算的通信距離則只有120米左右。

應(yīng)用于潛艇安全通訊

對(duì)此，來自加拿大滑鐵盧大學(xué)的托馬斯·詹寧威（ThomasJennewein）指出：“雖然有人討論過相關(guān)的概念，但在此之前，從未有人實(shí)現(xiàn)過這樣的海水量子通信實(shí)驗(yàn)?！彼瑫r(shí)還補(bǔ)充道：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)很明顯的一個(gè)應(yīng)用就是用在潛艇上，它使得一艘潛艇能夠在保持潛伏的狀態(tài)下同時(shí)進(jìn)行安全通訊?！?/p>

量子比特和量子糾纏是量子密鑰分發(fā)（QKD）的重要元素，量子力學(xué)基本法則從根本上保證了雙方通信的安全性，因此，將QKD技術(shù)應(yīng)用于潛于水下的潛艇是很有可能的。問題在于，即使在405納米波段，海水對(duì)光子的吸收作用仍然非常強(qiáng)烈，要想實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的海水量子通信，則需要大量的光子。

“海水對(duì)光有很強(qiáng)的吸收作用，將海水量子通信推進(jìn)到長(zhǎng)距離是很困難的，”密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校的杰弗里·烏爾曼（JeffreyUhlmann）說道，“中繼器是一種解決方案，但是目前為止離實(shí)際應(yīng)用還是有很長(zhǎng)一段距離的。”

[資料來源：New Scientist][責(zé)任編輯：彥 隱]