潘建伟教授等实现国际上最远距离的自由空间纠缠光子分发

　　国际物理学权威期刊《物理评论快报》的审稿人对这一成果给予了“有重大的意义”、“是一项相当了不起的成就”等高度评价，众多权威科技期刊报道。

　　南方网讯　合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授和他的同事杨涛、彭承志等在4月22日出版的国际物理学权威期刊《物理评论快报》上发表了题为“13公里自由空间纠缠光子分发：朝向基于人造卫星的全球化量子通信”的研究论文。在该实验中，科学家们通过“自由空间纠缠光子的分发”，在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，其纠缠的特性仍然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。这一研究成果为实现全球化的量子通信奠定了实验基础。由于该工作的重要性， 《物理评论快报》的审稿人对这一成果给予了“有重大的意义”、“是一项相当了不起的成就”等高度评价。与此同时，诸如英国《新科学家》等国际权威科技新闻期刊也在第一时间详细报道了这一研究成果。

　　目前广为使用的远距离通信需要通过光纤来传输大量的光子，但是保密性能差，可以被窃听，存在安全隐患。量子保密通信技术通过单一光子或纠缠光子来传送信息，由物理原理保证了其绝对安全性。但是由于光子在光纤中传输时容易被吸收而严重损耗，远距离光纤量子保密通信的难度较大。虽然，科学家们已经在光纤量子密码的相关研究中取得了一定进展，光子在光纤中的大量损耗却使得量子密码在光纤中的最大传输距离被限制在100公里左右。

　　值得庆幸的是，最近的研究表明利用通信卫星和自由空间纠缠光子分发却很有希望实现更远距离乃至全球化的量子通信。这项技术的大体步骤如下：量子信号从地面上发射并穿透大气层――卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星――量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。这项技术面对的挑战之一，是大气层中的空气分子会把携带信息的光子一个个散射到四面八方，但却很难让光子被传送到指定的位置。因此，自由空间量子密码的传输仍面临巨大的困难。

　　潘建伟教授领导的研究小组于2003年开始研究自由空间量子通信。他们选定位于合肥市郊海拔281米的大蜀山电视发射塔为第一个实验点，在此制备出成对的纠缠光子，再利用两个专门设计加工的发射望远镜将容易发散的细小光束“增肥”后向东西相距13公里的两个实验站送出。东面的接收端选在位于科大西区的实验站，西面的实验站位于肥西县的桃花镇。研究人员在两个接收端用同样型号的望远镜收集。尽管山顶常年风大，夏季酷热，实验受空气污染和灯光污染影响较大，但经过研究人员的种种努力，在如此远距离的传送中，虽有许多纠缠光子衰减，但仍有相当比例的“夫妻对”能存活下来并有旺盛的生命力，经灵敏度非常高的单光子探测器检测，分居东西两地的光子“夫妻对” 即使相距遥远仍能“心心相印”，相互纠缠，其携带信息的数量和质量能完全满足基于卫星的全球化量子通信的要求。在此基础上，该研究小组进一步利用分发的纠缠光源来进行绝对安全的量子保密通信。13公里不仅是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞量子密钥分发的最大距离。

　　据实验室人员介绍，他们正在计划开展更远距离的量子通信实验，下一步的目标是通过自由空间实现几百公里的量子通信，超越光纤传输的极限。他们希望，有朝一日，科学家们能够通过通信卫星实现更远距离乃至全球的量子通信。

编辑：黄宏平