《基於通信波段的全天時自由空間量子通信研究》是依託中國科學技術大學，由廖勝凱擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於通信波段的全天時自由空間量子通信研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：廖勝凱
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
由於白天比夜晚天空背景輻射要高三個數量級以上，絕大多數遠距離自由空間量子通信實驗均在夜晚進行，國際上白天量子通信距離大多僅有幾百米，最遠通信距離10km的實驗能允許的鏈路衰減只有20dB，然而，構建全球量子通信網路的星地量子通信距離在400km以上，即使使用衍射極限光學系統及米級大口徑接收望遠鏡，鏈路衰減至少也在30dB以上，目前的白天量子通信技術無法勝任。. 本項目創新性地提出開展基於通信波段的全天時量子通信研究，利用通信波段相對可見近紅外波段自由空間背景噪聲小的特點，結合上轉換高效低暗記數單光子探測技術，從高精度跟蹤瞄準技術、高效率空間光單模接收（高截止空間濾波）技術等幾個方面，開展大鏈路衰減（>30dB）的全天時(24小時)自由空間遠距離(>30km)量子密鑰分配試驗研究，為實現覆蓋全球的全天候量子通信打下基礎.
結題摘要
基於衛星平台的量子通信是構建覆蓋全球量子通信網路最為可行的手段，為了提高通信覆蓋率，以提高衛星量子通信實用化水平，一種可行的解決途徑是構建由多顆低軌道衛星或高軌道衛星組成的量子星座，建立覆蓋全球的實時量子通信網路。為了構建量子星座，需要突破以下兩個技術難題：一是通信距離較遠導致的鏈路損耗較大，星座通信鏈路損耗典型值大於40-45dB；二是隨著衛星軌道的升高，衛星被太陽光照射的機率增大，例如，軌道高度500km的“墨子號”衛星被太陽光照射的機率是68%，而軌道高度36000km的，需要抑制白天陽光照射噪聲影響。然而，國際上白天量子通信距離大多僅有幾百米，最遠通信距離10km的實驗能允許的鏈路衰減只有20dB，實現星座量子密鑰分發網路，目前的白天量子通信技術無法勝。 為抑制白天陽光背景噪聲，項目團隊從三個方面發展關鍵技術：陽光背景噪聲主要包括太陽光直射部分和經大氣分子散射部分組成，太陽光譜中1550nm成分較低，大氣散射對該波段散射也較小，利用這個特點採用1550nm波段光子開展實驗，最佳化光學系統，將噪聲降低超過一個數量級；發展頻率上轉換單光子探測技術，在保持單光子高效探測的同時，實現了光譜維度的窄帶濾波，降低噪聲約兩個數量級；發展自由空間光束單模光纖耦合技術，實現了高效耦合和空間維度的窄視場濾波，降低噪聲約兩個數量級。綜合這三項技術，研究小組在青海湖相距53公里的兩點間完成了白天陽光背景下的量子密鑰分發實驗，在全鏈路衰減48dB（大於星地、星間鏈路衰減）情況下，誤碼率~1.65%，安全密鑰成碼率達到~150 bps。實驗結果驗證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發的可行性，為下一步構建量子星座打下了堅實的技術基礎。
