基于通信波段的全天时自由空间量子通信研究

Since the sky background radiation at night is much less than that of daylight, the vast majority of long-distance free-space quantum communication tests were conducted at night。Nowadays, the distance of quantum communication in daylight is just about a few hundred meters, and the most distant communication is only 10km with the accepted link attenuation of only 20dB. However, quantum communication aims to build a global network based on satellite with the distance beyond 400km, and the link attenuation is at least 30dB, the current quantum communication test methods in daylight cannot do the job..With the development of up-conversion single photon detection technology, this project proposes to carry out quantum communication during the daylight and night based on communication band (1550nm). Relative to visible light, communication band has its own advantage of much less background noise. With lower background noise advantage and the up-conversion single photon detection technology breakthroughs, this project carry on research on high precision acquisition-tracking-pointing technology, high efficiency space optical single mode receive (high cutoff spatial filtering) technology, to make free-space quantum communication with large link attenuation in daylight and night real, to lay the foundation of quantum communication day and night.

由于白天比夜晚天空背景辐射要高三个数量级以上，绝大多数远距离自由空间量子通信实验均在夜晚进行，国际上白天量子通信距离大多仅有几百米，最远通信距离10km的实验能允许的链路衰减只有20dB，然而，构建全球量子通信网络的星地量子通信距离在400km以上，即使使用衍射极限光学系统及米级大口径接收望远镜，链路衰减至少也在30dB以上，目前的白天量子通信技术无法胜任。. 本项目创新性地提出开展基于通信波段的全天时量子通信研究，利用通信波段相对可见近红外波段自由空间背景噪声小的特点，结合上转换高效低暗记数单光子探测技术，从高精度跟踪瞄准技术、高效率空间光单模接收（高截止空间滤波）技术等几个方面，开展大链路衰减（>30dB）的全天时(24小时)自由空间远距离(>30km)量子密钥分配试验研究，为实现覆盖全球的全天候量子通信打下基础.

基于卫星平台的量子通信是构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段，为了提高通信覆盖率，以提高卫星量子通信实用化水平，一种可行的解决途径是构建由多颗低轨道卫星或高轨道卫星组成的量子星座，建立覆盖全球的实时量子通信网络。为了构建量子星座，需要突破以下两个技术难题：一是通信距离较远导致的链路损耗较大，星座通信链路损耗典型值大于40-45dB；二是随着卫星轨道的升高，卫星被太阳光照射的概率增大，例如，轨道高度500km的“墨子号”卫星被太阳光照射的概率是68%，而轨道高度36000km的，需要抑制白天阳光照射噪声影响。然而，国际上白天量子通信距离大多仅有几百米，最远通信距离10km的实验能允许的链路衰减只有20dB，实现星座量子密钥分发网络，目前的白天量子通信技术无法胜。.为抑制白天阳光背景噪声，项目团队从三个方面发展关键技术：阳光背景噪声主要包括太阳光直射部分和经大气分子散射部分组成，太阳光谱中1550nm成分较低，大气散射对该波段散射也较小，利用这个特点采用1550nm波段光子开展实验，优化光学系统，将噪声降低超过一个数量级；发展频率上转换单光子探测技术，在保持单光子高效探测的同时，实现了光谱维度的窄带滤波，降低噪声约两个数量级；发展自由空间光束单模光纤耦合技术，实现了高效耦合和空间维度的窄视场滤波，降低噪声约两个数量级。综合这三项技术，研究小组在青海湖相距53公里的两点间完成了白天阳光背景下的量子密钥分发实验，在全链路衰减48dB（大于星地、星间链路衰减）情况下，误码率~1.65%，安全密钥成码率达到~150 bps。实验结果验证了太阳光背景下开展星地、星间量子密钥分发的可行性，为下一步构建量子星座打下了坚实的技术基础。