中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)面向光纖和自由空間混合信道的量子通信實(shí)驗(yàn)演示
中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在面向光纖和自由空間混合信道量子通信研究方面取得了重要進(jìn)展：該團(tuán)隊(duì)史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授課題組與河南省量子信息與量子密碼重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)合作，成功制備了光纖通信波段和中紅外自由空間通信波段雙色偏振糾纏光子，并在實(shí)驗(yàn)室演示了基于光纖和自由空間混合信道的量子密鑰分發(fā)，為全天時(shí)天地一體化量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了技術(shù)支撐。這項(xiàng)成果7月8日在線發(fā)表在《Laser Photonics Review》上[Laser Photonics Rev. e0038(2025)]。
基于衛(wèi)星和光纖網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建天地一體化的量子網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前的研究主要基于近紅外波段糾纏光源，由于受較強(qiáng)的太陽(yáng)背景輻射影響，主要在夜間工作。將光子波長(zhǎng)拓展到中紅外波段，可以大幅度地降低太陽(yáng)背景輻射的干擾，有助于全天時(shí)天地一體化量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。然而受限于單光子探測(cè)器的技術(shù)水平（該波段尚無(wú)成熟的商業(yè)化單光子探測(cè)器，目前在實(shí)驗(yàn)室研制的超導(dǎo)單光子探測(cè)器需要在極低溫的條件下工作），目前開展中紅外波段量子光源的制備和表征工作難度極大。如何實(shí)現(xiàn)高效率、低噪聲的中紅外光子探測(cè)是實(shí)現(xiàn)中紅外波段量子通信研究亟需解決的問題。
通過量子頻譜遷移探測(cè)可有效地解決中紅外波段缺乏高性能單光子探測(cè)器的問題。量子頻譜遷移將中紅外光子的波長(zhǎng)遷移到近紅外波段，在常溫下通過硅基單光子探測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)中紅外光子的有效探測(cè)。早期關(guān)于量子頻譜遷移探測(cè)的研究主要集中于1.5微米光纖通信波段。2024年，史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授等人將該技術(shù)拓展到中紅外波段，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)光泵浦的3微米簡(jiǎn)并光子對(duì)的制備與表征[Sci. Adv. 10, eadm7565 (2024)]。
在本工作中，課題組與合作者進(jìn)一步將該技術(shù)拓展到同步脈沖泵浦的雙色偏振糾纏對(duì)的制備與表征工作中（其中一個(gè)光子波長(zhǎng)為1555nm光纖通信波段，另一個(gè)光子波長(zhǎng)為3370nm中紅外自由空間通信波段）。通過同步脈沖泵浦可以進(jìn)一步地提升中紅外光子探測(cè)的量子效率和信噪比。雙色光子對(duì)通過百皮秒的高重頻1064nm激光泵浦一對(duì)正交放置的type-0匹配的PPLN晶體產(chǎn)生，其中的通信波段光子通過AsGaIn單光子探測(cè)器探測(cè)，中紅外光子則與一個(gè)同步脈沖激光進(jìn)行和頻后再通過硅基單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)（如圖1A）。通過偏振干涉、量子態(tài)層析和Bell不等式S值的測(cè)量可以證明所制備的雙色偏振糾纏源具有極高的糾纏質(zhì)量（如圖1B）。在此基礎(chǔ)上，課題組基于該雙色糾纏源在實(shí)驗(yàn)室演示了光纖和自由空間混合信道的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)（如圖2所示），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該糾纏源具備構(gòu)建光纖和自由空間混合量子網(wǎng)絡(luò)的潛力。
圖1.（A）實(shí)驗(yàn)裝置圖和（B）雙色偏振糾纏源的參數(shù)表征
圖2.光纖和自由空間混合信道量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)原理圖
該工作通過量子頻譜遷移技術(shù)有效地解決了中紅外光子的探測(cè)問題，將量子通信的研究從近紅外通信波段拓展到中紅外自由空間通信波段，為未來構(gòu)建全天時(shí)的天地一體化量子網(wǎng)絡(luò)提供了有效的技術(shù)支撐。這項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部和中國(guó)科大“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202500338
（量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
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