上海交大金贤敏课题组国际上首次实现海水量子通信实验

近日，上海交通大学金贤敏课题组实现了首个海水量子通信实验，观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性，国际上首次实验验证了水下量子通信的可行性，这标志着向未来建立水下以及空海一体量子通信网络迈出了重要一步。该成果于8月以“迈向自由空间海水中的量子通信”为题的长文发表在国际光学领域著名期刊《光学快报》（Optics Express）上，并被选为编辑推荐（Editors’Pick）。  

该工作发表后立即被国际科学杂志NewScientist以“首个水下量子纠缠将导致不可破译通信技术”为题进行了报道，加拿大量子卫星项目负责人Thomas Jennewein指出，虽然以前也讨论过水下量子通信的想法，但是迄今还没有看到任何人做过这样的实验。同日，TheNextWeb（TNW）以“科学家发展了基于海水传态的不可破译通信技术”为题进行了报道。FQXI将该工作视为继墨子号量子卫星之后，中国在量子通信领域取得的又一里程碑工作。之后，GIZMODO，USweekly，RealClearScience也进行了跟踪报道。   

量子通信技术是以单光子为信息载体，结合量子叠加和量子不可克隆等量子力学基本物理原理，与通信与系统、计算机科学，以及光科学与工程等学科交叉融合发展起来的新一代信息技术。量子通信有望帮助人类实现真正意义的无条件安全的保密通信，在未来的金融、军事、公共信息安全等方面展现出极大的发展前景，已成为未来信息技术发展的重要战略性方向之一。基于光纤和自由空间大气信道的量子通信已经被证明是可行的，近年来得到了长足的发展。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。该工作展示了实现量子通信技术的“上天、入地、下海”的未来图景是可期的。  

金贤敏指出，相比于光纤和大气，海水中悬浮物和盐度等对光子导致的散射和损耗效应要大得多，因此，量子态能否在海水信道中存活，什么样量子态适合在海水中传输而不发生退相干，都是不清楚的。其实，海水也有个光子传输时损耗较低的蓝绿窗口，并且这个波段仍然是商用单光子探测器可以探测的。另外，考虑到海水的各向同性，在各种光子自由度中，他们选择了光子的极化作为信息编码的载体。通过模拟，他们还展示了在非常大的损耗和散射情况下，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。也就是说，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，仍然可以被用于建立安全密钥。  

目前的结果显示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。金贤敏指出，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。