张军 2005 (量子密码实验新进展_13km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)
钱振华-第二次量子革命与量子通信浅说“墨子号”科学实验卫星简介
1930年，英国物理学家保罗.狄拉克用数 学方法描述电子运动规律时，发现电子 的电荷可以是负电荷、也可以是正电荷。 狄拉克猜想，在自然界中可能存在一种 “反常的”带正电荷的电子。
海森伯是德国著名物理学家，量子 力学第一种有效形式(矩阵力学)的 创建者。他于20世纪20年代创立 的量子力学，可用于研究电子、质 子、中子以及原子和分子内部的其 它粒子的运动，从而引发了物理界 的巨大变化，开辟了20世纪物理时 代的新纪元。为此，1932年，他 获得诺贝尔物理奖， 成为继爱因斯坦和 波尔之后的世界级 的伟大科学家。
1905年爱因斯坦提出了光子理论，解释了光电 效应的实验现象。 1924年德布罗意提出了物质波的假设，认为一 切微观粒子具有波动性：λ＝h/p 1925年海森堡与波恩、约丹等人建立了量子力 学的矩阵形式，常称为矩阵力学。 1926年薛定谔建立了波函数所滿足的运动方程 ，这一理论称为波动力学，方程则称为薛定谔 方程。 1926年波恩对波函数作出统计解释：波函数平 方正比于发现粒子的概率。这一解释使波动力 学为大家所接受。
几种量子信道的比较
1，地面： 优点：空间自由，灵活方便 缺点：背景光干扰（特别城市），传播介质不稳定如雾等，地球是圆的直线距离 有限 2，光缆： 优点：光缆中的信号受环境影响少，虽然不是可移动的通信但也还灵活，商品化 缺点：光缆衰减大概只能到达100公里附近 3，卫星；由微波通信和电视所取得的经验，很自然想到选择卫星。利用卫星也将 验证量子纠缠带到太空，超过目前实验最大的距离。（地面上已验证的距离约一 百多公里，而卫星通过地面站可扩展到十倍远）
率玻 玻 解恩 尔 释， 左 。他 边 提是 出德 了国 量大 子物 力理 学学 的家 概
马克斯· 玻恩(1882～1970)，德国犹太裔理论物理学家，量子力学奠基人之一。 因对量子力学的基础性研究尤其是对波函数的统计学诠释，获得1954年的诺贝 尔物理学奖。1901年起在布雷斯劳、海德堡、苏黎世和格丁根等各所大学学习， 先是法律和伦理学，后是数学、物理和天文学。1907年获得博士学位。 1912年与西尔多· 冯· 卡门合作发表了《关于空间点阵的振动》的著名论文， 从此开始了他以后几十年创立点阵理论的事业。1921年成为哥廷根大学物理系 主任。1936年任爱丁堡大学教授，1937年当选为英国伦敦皇家学会会员。玻恩 还是《格丁根宣言》的签署人。
说明量子密码所具有的两大特点。
量子密码是一种基于量子力学原理的密码技术，具有许多传统密码技术所不具备的优势。
在量子密码学中，量子纠缠和量子不可克隆性是两大重要特点，下面将对这两大特点进行详细说明。
一、量子纠缠1. 量子纠缠是指两个或多个量子系统之间存在一种特殊的关联关系，即使它们相隔很远，改变一个系统的状态会立即影响到其他系统的状态。
这种关联关系是一种非经典的、无法用经典物理理论解释的相互作用。
2. 在量子密码学中，利用量子纠缠可以实现量子密钥分发，即Quantum Key Distribution (QKD)。
在QKD中，Alice和Bob通过一种特殊的量子通道建立起量子纠缠关系，然后利用这种关系生成安全的密钥。
由于量子纠缠的不可分割性和突破经典物理的特点，QKD 可以实现绝对的安全性，即使拥有无限计算能力的攻击者也无法窃取密钥。
3. 量子纠缠的特性也使得量子密码学具有抗窃听和抗篡改的能力。
在传统密码学中，密钥的分发和存储容易受到窃听和篡改的威胁，而量子密钥分发则可以通过量子纠缠的性质有效地抵御这些攻击，保障密钥的安全。
二、量子不可克隆性1. 量子不可克隆性是指量子信息的复制不可能完全复制出原始信息的精确副本。
这是由量子力学的量子态叠加原理决定的，任何试图复制量子态的操作都会导致量子态的测量和破坏。
2. 在量子密码学中，量子不可克隆性被用来实现量子数字签名。
通过量子数字签名，信息的发送者可以在不泄漏消息内容的情况下对消息进行签名，而接收者可以验证签名的真实性。
由于量子信息的不可克隆性，任何试图伪造签名的行为都会破坏量子信息的完整性，从而保证了信息的安全性和可靠性。
3. 与传统的数字签名算法相比，量子数字签名具有更高的安全性和不可伪造性。
传统的数字签名算法依赖于数学难题的困难性来保证安全性，而量子数字签名则利用了量子不可克隆性的特性，更加坚固和可靠。
量子密码学具有量子纠缠和量子不可克隆性这两大特点，使得其在信息安全领域具有独特的优势和潜力。
科普：量子通信和量子密码学的进展和应用
量子通信和量子密码学的进展和应用引言在过去的几十年里，量子物理学的进展带来了许多颠覆性的技术，其中最为引人注目的就是量子通信和量子密码学。
量子通信和量子密码学基于量子力学的基本原理，为我们提供了一种全新的、安全的信息传输方式。
本文将详细介绍量子通信和量子密码学的进展和应用，并探讨未来的发展趋势和挑战。
一、量子通信的进展量子通信是一种前沿的科技，利用了量子力学的一些奇特特性，如量子叠加和量子纠缠，来进行信息的传输。
这种技术并非简单地发送和接收信息，而是涉及到复杂的制备、测量和传输过程。
在这个过程中，信息被编码在量子态中，这些量子态可以处于叠加态或纠缠态等奇特的状态。
叠加态是指一个量子系统可以同时处于多种状态，而纠缠态则是指两个或多个量子系统之间存在一种特殊的关系，它们的状态是相互依赖的。
这些状态在传输过程中不会泄露任何信息，保证了通信的安全性。
传统的通信方式容易被窃听和干扰，而量子通信则因为其独特的性质而无法被破解，从而保证了通信的安全性和保密性。
因此，量子通信是一种具有巨大潜力的技术，未来可能会在各个领域得到广泛应用，如金融、军事、政府等。
随着技术的不断发展，相信我们将会看到更多的应用场景出现。
量子通信的基本原理和技术量子通信是利用量子力学原理进行信息传输和处理的新型通信技术。
其基本原理涵盖了量子态的制备、测量和传输三个关键环节。
在量子态的制备阶段，信息被编码为量子态，这个过程通常涉及对光子或离子等基本粒子的操作。
这些粒子在特定的物理系统中被激发和操控，以产生携带有信息的量子态。
在测量环节，对量子态的观测是获取信息的关键步骤。
这种观测可以通过多种方式实现，如使用光子探测器或离子捕获技术。
当观测者对一个量子系统进行观测时，观测者的行为会干扰量子系统的状态，导致量子态发生塌缩。
塌缩后的量子态是一个经典态，可以直接读取并解码出原始信息。
量子态的传输则依赖于物理系统中的相互作用。
例如，在量子隐形传态协议中，传输者首先将量子态与自己之间的粒子进行纠缠，然后将纠缠态发送给接收者。
量子号科学实验卫星
量子号科学实验卫星2016年8月16日1时40分，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”搭载长征二号丁运载火箭，从酒泉卫星发射中心东风航天城顺利发射升空。
“量子号”开启量子卫星“星座”“墨子号”是中国科学院空间科学先导专项首批实验卫星之一，主要科学目标是星地高速量子密钥分发实验，在此基础上实验广域量子密钥网络，以期空间量子通信实用化；它将在太空中分发纠缠光子，实验量子隐形传态，并检验空间尺度的量子力学完备性。
该项目首席科学家潘建伟说：“使用量子卫星，点对点传输，可以做到1秒钟传送100K密钥数据；以后提高到1兆或10兆密钥，这将极大推动量子通信实用化。
”他同时展望说，如果经过5年努力，可以得到量子卫星“星座”。
“像北斗一样，很多颗量子卫星在空中，将改变我们在信息安全上非常被动的局面。
”此外，潘建伟表示，作为一颗科学卫星，“墨子号”将在大尺度范围验证量子力学。
中国科学技术大学2015年首次在世界上实现光子多项信息的隐形传态，科学家将之形象比喻为：一瞬间，合肥的孙悟空崩溃了，北京出现一只具备孙悟空身高和体重的猴子。
此次，该项目将试图让“孙悟空”在太空与地面之间瞬移。
除此以外，“墨子号”还将搭载第二代激光实验系统，用新方法实现更高的信息传递速率。
量子卫星工程由中科院国家空间科学中心抓总。
中国科学技术大学提出科学目标和研制科学应用系统；中科院上海微小卫星创新研究院抓总研制卫星系统，中科院上海技术物理研究所联合中科大研制有效载荷分系统；中科院国家空间科学中心牵头地面支撑系统研制、建设和运行，中科院对地观测与数字地球科学中心等单位参加。
中国研发的量子卫星应用了一系列高新技术，包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等。
卫星设计寿命为两年。
本次任务还搭载发射了中科院研制的稀薄大气科学实验卫星和西班牙科学实验小卫星。
长二丁火箭由中国航天科技集团所属上海航天技术研究院研制。
我国量子信息方面的成就 -回复
我国量子信息方面的成就-回复题目：我国量子信息方面的成就引言：量子信息科学作为21世纪的前沿领域，被誉为科技发展的下一个风口。
作为世界上人口最多的国家之一，中国在量子信息领域的研究和应用方面取得了令人瞩目的成就。
本文将以我国量子信息方面的成就为主题，从基础研究、量子通信、量子计算三个方面进行分析和回答。
一、基础研究：1.1 量子纠缠分发：2009年，我国科学家首次实现了长距离量子纠缠分发，成功将两个光子纠缠态传输到地面实验室之间的90公里距离，为量子通信和量子计算提供了坚实的基础。
1.2 量子态控制：2012年，我国科学家在实验室中成功制备了全球最大规模的容纳256个原子的量子态，实现了对这些原子的精确操控和测量。
这一突破对于量子计算和量子仿真具有重要意义。
1.3 量子通道制备：2016年，中国科学院研究团队成功制备出世界上第一个能够在杂质环境下保持量子通信传输的通道，提高了量子信息传输的可靠性和稳定性。
这为未来量子通信网络的建立奠定了基础。
二、量子通信：2.1 量子保密通信：我国科学家在量子保密通信方面取得了显著进展。
2017年，我国成功实现了在一颗卫星和多个地面站之间进行量子密钥分发，实现了量子保密通信在千公里尺度上的远距离传输，比普通光纤量子通信更加安全和可靠。
2.2 量子隐蔽传态：2019年，中国科学家首次实现了千公里级别的量子隐蔽传态，将一个量子态从一个节点传输到另一个节点，同时实现了多节点之间的量子纠缠分发。
这一突破为建立全球范围内的量子通信网络提供了重要思路和方案。
三、量子计算：3.1 量子位演化：2015年，中国科学家在超导量子位上成功进行了24个量子比特的量子位演化实验，刷新了全球的记录。
这一成就为未来量子计算机的实际应用打下了基础。
3.2 量子仿真：中国科学家在量子化学、材料科学以及生物学等领域的量子仿真研究方面取得了重要进展。
通过量子仿真，科学家们可以模拟和研究复杂系统和化学反应，加速新材料的开发和药物的筛选。
量子密码学的基本原理与应用实例
量子密码学的基本原理与应用实例量子密码学是一种基于量子力学原理的密码学方法，是为了在加密和解密过程中保护信息免受未经授权的访问和攻击而发展的一门学科。
相对于传统的密码学方法，量子密码学的基本原理和应用具有许多独特的优势，被认为是未来信息安全领域的重要发展方向之一。
量子密码学的基本原理可以归结为两个重要概念：量子纠缠和量子不可克隆性。
量子纠缠是指通过特殊的量子操作，将两个或多个量子比特（qubits）之间建立起一种特殊的纠缠关系，使得它们之间的状态相互关联，即一个量子比特的状态的改变会影响到其他相关的量子比特的状态，这种关联关系是无法通过经典手段复制或破解的，因此可以用来保护信息传输的安全性。
量子不可克隆性是指量子态的不可复制性，即无法精确复制一个未知的量子态。
这意味着，如果尝试对量子信息进行测量或复制，必然会对其状态产生干扰，进而破坏信息的完整性，因此可以实现加密和身份认证等安全任务。
量子密码学的应用有许多实例，下面介绍几个典型的案例。
第一个应用实例是量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）。
QKD是量子密码学最早得到实际应用的一种方法，旨在解决密钥分发过程中的安全性问题。
传统的密钥交换方式通常存在安全性隐患，容易被窃听者利用信息采集技术获取密钥信息。
而通过量子纠缠和量子态的测量，QKD可以实现安全的密钥分发，保护通信双方的密钥免受窃听和篡改。
实际上，QKD已经成功应用于银行、政府机构等对安全性要求较高的领域。
第二个应用实例是量子认证（Quantum Authentication）。
传统的身份认证方式通常依赖于密码或证书的验证，容易受到密码泄露或伪造攻击的影响。
而利用量子态的不可复制性和量子纠缠的特性，量子认证可以实现更高的安全性和可信度。
例如，利用量子纠缠可实现量子密钥认证（Quantum Key Authentication，QKA），在安全通信过程中通过验证量子密钥的完整性和准确性来验证通信双方的身份，防止中间人攻击和冒充。
量子密码技术的最新研究进展与应用
量子密码技术的最新研究进展与应用哎呀，说起量子密码技术，这可真是个超级酷的领域！最近啊，这方面的研究进展那叫一个迅速，应用也是越来越广泛。
我先给您讲讲这最新的研究进展。
科学家们就像一群超级探险家，不断在量子密码的神秘世界里挖掘新的宝藏。
比如说，他们在提高量子密钥分发的效率和安全性上有了重大突破。
以前，量子密钥分发可能会受到一些干扰，导致信息传递不太稳定。
但现在呢，新的技术让这一过程变得更加可靠，就像是给信息穿上了一层坚不可摧的铠甲。
还有啊，研究人员在量子纠缠的利用方面也取得了令人惊喜的成果。
以前，我们对量子纠缠的理解还比较初步，现在可不一样了，他们能够更加巧妙地利用量子纠缠的特性来加密信息，让那些想要窃取信息的“小贼”们毫无办法。
再来说说应用方面。
您能想象到，银行的重要金融数据现在可以通过量子密码技术来保护吗？这就好比给银行的金库加上了一把超级无敌的密码锁，让坏人根本无从下手。
我给您说个我身边的事儿吧。
我有个朋友在一家大公司工作，他们公司之前因为信息泄露，损失惨重。
后来，公司采用了量子密码技术来保护重要的商业机密。
有一次，竞争对手试图通过黑客手段获取他们的研发数据，结果呢，啥也没捞着，反而被追踪到了来源，吃了大亏。
这可让我那朋友所在的公司松了一口气，也让他们在市场竞争中更有底气了。
在军事领域，量子密码技术更是发挥着至关重要的作用。
机密的军事通信现在可以做到绝对安全，不用担心被敌方监听和破解。
这就像是在战场上给自己的通信部队罩上了一层隐形的保护罩，让指挥命令能够安全、准确地传达。
医疗领域也不例外。
患者的病历和医疗数据可是非常敏感的信息，利用量子密码技术进行加密，能够确保患者的隐私得到最大程度的保护。
想象一下，如果您的病历被别有用心的人获取，那得多可怕呀！但有了量子密码技术，这种担忧就可以大大减少。
交通领域同样能看到量子密码技术的身影。
比如自动驾驶汽车之间的通信，通过量子加密，能够避免被恶意干扰，保障行车安全。
量子密钥分发
谢谢观看
重大进展
2022年2月，中科大郭光灿院士团队的韩正甫教授及其合作者，实现了833公里光纤量子密钥分发，将量子密 钥分发安全传输距离世界纪录提升了200余公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。
2022年，中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发络化研究方面取得重要进展。科研团队实现了抗 环境干扰的非可信节点量子密钥分发络，全面提高了量子密钥分发络的安全性、可用性和可靠性，向实现下一代 量子络迈出了重要的一步。
阿图尔·艾克特（Artur Eckert）于1991年发表的E91协议应用了量子纠缠科技。在这方法里，Alice和Bob 分别接收到EPR对中的一个：
|Ψ> = 之后双方都大量的随机选择基去测量，之后用贝尔不等式验证测量结果，来判断是否有人听。
信息协调与隐私增强
密钥分发完成之后的要做两个步骤是信息协调与隐私增强。
量子密钥交换
量子通信中，消息编码为量子状态，或称量子比特，与此相对，经典通信中，消息编码为比特。通常，光子 被用来制备量子状态。量子密码学利用量子状态的特性来确保安全性。量子密钥分发有不同的实现方法，但根据 所利用量子状态特性的不同，可以分为几类。
协议
B92协议
BB84协议
E91协议
查理斯·贝内特（Charles Bennett）与吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）于1984年发表的论文中提到的 量子密码分发协议，后来被称为BB84协议。BB84协议是最早描述如何利用光子的偏振态来传输消息的。发送者 （通常称为Alice）和接收者（通常称为Bob）用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体，对应的量 子信道可以是光纤。另外他们还需要一条公共经典信道，比如无线电或因特。公共信道的安全性不需考虑，BB84 协议在设计时已考虑到了两种信道都被第三方（通常称为Eve）窃听的可能。
多媒体数据网络传输关键技术之三：量子密钥分发
超高性能PCI-E固态硬盘再现 固态硬盘再现 超高性能 新势力
Abee 发布 新款 HTPC 机箱 CS515
• Abee 近日发布了一款 HTPC 机箱“acubic CS515”，可 以水平、斜向双方向放置以及多款不同的涂装颜色，十分 贴合玩家的家居环境。 机箱参数： 170高x340宽x250深（mm），重约3.8kg 对应主板：Mini-ITX 对应电源：SFX规格标准电源 材质：3mm（前面板）,2mm（四周罩子）厚铝合金 硬盘位：3.5吋 HDDx2, 2.5吋 HDDx1 售价折合RMB 4000元
多媒体数据网络传输关键技术之 三：量子密钥分发量子密钥分发 三：量子密钥分发量子密钥分发
Quantum Key Distribution 软件学院 朱宏峰 2011.5.24
几则新闻 Sandy Bridge新品七连发 新品七连发
• Intel今天更新官方价格表，正式加入了七款新型号处理器，全部基于Sandy Bridge架 构，而且其中四款都冠以奔腾的名号。 Core i5-2310：在Core i5-2300的基础上原始主频提升100MHz而达到 达到2.9GHz， 达到 Turbo Boost动态加速频率也因此升至3.2GHz，其它完全不变，售价也维持在177美元， 显然将直接取代后者。 Core i3-2105：相比于Core i3-2100处理器部分不变，集成图形核心从六个执行 集成图形核心从六个执行 单元的HD Graphics 2000升级 解锁 为十二个单元的 升级(解锁 为十二个单元的HD Graphics 3000，频率还是 单元的 升级 解锁?)为十二个单元的 850-1100MHz，3D性能自然更好。价格标为134美元，贵了17美元。 Core i5-2405S：同上类似也是图形核心升级为HD Graphics 3000，价格也上涨 了10美元而达到205美元。 不同于Core i5/i3系列新品只是现有型号的增强型变种，四款奔腾都是全新型号，比上 一代的Pentium G6900系列有了底层架构上的本质不同，比如支持 支持SSE4指令集、 指令集、 支持 指令集 DDR3-1333内存 仅限 内存(仅限 系列)，不过因为面向入门级市场，很多新特性都被屏蔽了， 内存 仅限G800系列 系列 包括HT超线程、Turbo Boost 2.0动态加速、AVX/AES指令集、3D加速、Quick Sync 视频转码、InTru 3D立体、Clear Video HD高清解码等等。 Pentium G850：双核心，双线程，主频2.9GHz，三级缓存3MB，集成图形核 心HD Graphics2000, 频率850-1100MHz，热设计功耗65W，标价86美元。 Pentium G840：主频降至2.8GHz，其它不变，标价75美元。 Pentium G620：主频降至2.6GHz，内存支持也降至DDR3-1066，其它同上， 标价64美元。 Pentium G620T：主频继续降至2.2GHz，热设计功耗也仅为 热设计功耗也仅为35W，属于节能 热设计功耗也仅为 型的低功耗版本，标价70美元。
量子主方程及其求解的若干方法
接下来介绍了主方程应用于量子光学和凝聚态物理的三个例子。我们用Ｚｗａｎｚｉｇ方法 推导辐射场与物质相互作用的Ｄｉｃｋｅ模型的主方程，用Ｌａｗａｎｄｅ稳态解方法求解超辐射和 共振荧光的主方程；分析了激光产生的机制，用Ｌｏｕｉｓｅｌｌ方法导出激光场的主方程，并求 出该主方程的稳态解；介绍了稀薄量子Ｂｏｓｅ气体的模型，导出Ｂｏｓｅ—Ｅｉｎｓｔｅｉｎ凝聚的量子运 动的主方程。
ｇｉｖｅｎ，ｗｅ ｃａｎ ｓｉｍｐｌｙ ｐｕｔ ｄｏｗｎ ａｎ ａｎａｌｙｔｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｐｅｒａｔｏｒ ａｔ ａｎｙｔｉｍｅ．
Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ，ｗｅ ｇｉｖｅ ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＥ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ，
Ｆｏｋｋｅｒ—Ｐｌａｎｃｋ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｐ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｑ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｗｉｇｎｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｒｅｐｒｅｓｅｎ—
ｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｌ Ｐ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ．
Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｒｅｅ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ ＭＥｓ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｄｅｎｓｅ ｍａｔｔｅｒ ｐｈｙｓｉｔｓ．Ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａｌｌ，ｗｅ ｕｓｅ ｔｈｅ Ｚｗａｎｚｉｇ’Ｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｄｅｒｉｖｉｎｇ ｔｈｅ ＭＥ ｏｆ Ｄｉｃｋｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ
量子密码
最后，让我们一起期待量子密码术在未来能够为我们带来更多的惊喜和可能。在信息安全的道路 上，让我们借助物理的力量，走向更美好的未来。
01 基本概念
03 实践意义 05 延伸阅读
目录
02 工作原理 04 应用实例
基本概念
量子密码术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是数学。实质 上，量子密码术是基于单个光子的应用和它们固有的量子属性开发的不可破解的密码系统，因为 在不干扰系统的情况下无法测定该系统的量子状态。理论上其他微粒也可以用，只是光子具有所 有需要的品质，它们的行为相对较好理解，同时又是最有前途的高带宽通讯介质光纤电缆的信息 载体。
而且，在量子密码术中还有另一个固有的安全级别，就是入侵检测。Alice和Bob将知道Eve是否 在监听他们。Eve在光子线路上的事实将非常容易被发现，原因如下：
让我们假设Alice采用右上/左下的方式传输编号为349的光子给Bob，但这时,Eve用了直线偏光 器，仅能准确测定上下或左右型的光子。如果Bob用了线型偏光器，那么无所谓，因为他会从最 后的键值中抛弃这个光子。但如果Bob用了对角型偏光器，问题就产生了，他可能进行正确的测 量，根据Heisenberg不确定性理论，也可能错误的测量。Eve用错误的偏光器改变了光子的状态， 即使Bob用正确的偏光器也可能出错。
办好中文科技期刊,服务“十四五”发展新格局
SPECIAL COLUMN丨特另0策划43办好中文科技期刊，服务“十四五”发展新格局肖宏《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司，100084,北京摘要面对“十四五”发展新格局，中文科技期刊迎来了更好的发展机遇。
文章回顾中文科技期刊的总体概况、发展历程和历史贡献，从外部环境和期刊自身能力两方面分析中文科技期刊目前存在的主要问题，并提出优化战略管理、提升内容原创性、提升出版创新能力、提升全球影响力、提升行业服务能力、提升集约化经营能力6项发展措施。
关键词中文科技期刊；“十四五”；期刊管理；出版创新开放科学（资源服务）标识码（OSID)中共十九届五中全会指出，要“坚持创新 在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自 立自强作为国家发展的战略支撑，面向世界科技 前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面 向人民生命健康，深入实施科教兴国战略、人才 强国战略、创新驱动发展战略，完善国家创新体 系，加快建设科技强国”。
“十四五规划”提出 要“加快构建以国内大循环为主体、国内国际双 循环相互促进的新发展格局，推进国家治理体系 和治理能力现代化”。
通过认真学习十九届五中 全会精神，笔者认为，党中央的这些指导意见，对加快落实“深化改革，培育世界一流科技期 刊”的战略任务，意义重大。
1中文科技期刊的总体概况2020年10月，国家新闻出版署公布《2019 年全国新闻出版业基本情况》，全国出版自然科 学与技术类期刊5 062种。
111另据《中国科技期刊 发展蓝皮书（2020)》报告中的全国期刊年检数 据表明，2019年接受年检的科技期刊4 958种，其中，中文科技期刊4 429种（89.33%)，英文科技期刊359种（7.24%)，中英文科技期刊170种 (3.43%)。
[21与其他非英语母语的科技发达国家 相比，如德国（德语科技期刊664种，占德国科技 期刊总量33.55% )、法国（法语科技期刊390种，占法国科技期刊总量58.65% )、日本（日语科技 期刊1 429种，占日本科技期刊总量67.76% )、俄罗斯（俄语科技期刊1271种，占俄罗斯科技期 刊总量72.96% ) 121,我国中文科技期刊无论是在 数量上，还是在占比上，都突显了中文出版的绝 对优势。
自由空间测量设备无关的量子密钥分发实验
我们的系统采用了隐私增强技术，如差错纠 正和信息认证码等，以保护用户的隐私和安 全。
04
结论与展望
研究结论
证明了测量设备无关量子密钥分发的可行性
实验结果证明了测量设备无关量子密钥分发在自由空间环境中的可行性，为未来量子通信 网络的建设提供了新的方案。
验证了量子密钥分发的安全性
通过实现测量设备无关的量子密钥分发，实验验证了量子密钥分发的安全性，对保障通信 安全性具有重要意义。
效率分析
分析协议的效率、传输速 度、误码率等性能指标， 优化协议参数
实验装置与流程
实验装置
包括发射端、接收端、量子信道、控制和监测系统等
实验流程
从量子态的产生、编码、调制、传输到解码、测量和密钥生成的整个过程
03
实验结果与分析
实验数据及处理
数据收集
在实验中，我们收集了大量的原始数据，包括发 射端和接收端的测量结果、设备状态信息等。
面具有较高的安全性。
稳定性
03
通过对不同时间段和不同环境条件下的实验数据进行
比较，我们发现系统表现出良好的稳定性。
安全性分析
前向安全性
我们的系统采用了前向保密协议，确保即使 在攻击者获得部分信息的情况下，仍然能够 保证通信的安全性。
测量设备无关性
我们的系统采用了测量设备无关的方案，避免了测 量设备被黑客攻击或篡改的风险。
自由空间测量设备无关的 量子密钥分发实验
汇报人： 2023-11-30
目录
CONTENTS
• 引言 • 实验系统与装置 • 实验结果与分析 • 结论与展望 • 参考文献
01
引言
研究背景与意义
背景
量子密钥分发（QKD）是一种利用量子力学原理实现安全密钥分发的技术，可应用于军事、政治、商业等领域。
量子纠缠与空间非定域性课件
对哲学本体论和认识论的影响
本体论的影响
量子纠缠现象对物质和信息的本体论产生了深远的影响。纠缠粒子之间的关系超越了经典物理的空间限制，可能 暗示着一种非局域性的本体论结构。
认识论的影响
量子纠缠现象引发了关于知识和真理的认识论讨论。量子力学中的测量结果具有概率性，这意味着我们对自然界 的认识是基于统计规律的，而非确定的真理。这对我们的科学方法和科学实在论产生了重要的影响。
宇宙微波背景辐射
阐述空间非定域性在解释宇宙微波背景辐射的各向异性和相关性 中的作用。
宇宙大尺度结构
探讨空间非定域性如何影响宇宙大尺度结构的形成和演化，如星系 团和暗物质分布等。
量子引力与时空结构
分析空间非定域性在量子引力理论和时空结构研究中的意义，如黑 洞信息悖论和量子引力纠缠等前沿问题。
05
量子纠缠与空间非定域性的哲学 思考
量子纠缠与空间非定域性课件
目录
• 量子纠缠概述 • 空间非定域性理论 Nhomakorabea• 量子纠缠的实验研究 • 空间非定域性的验证与应用 • 量子纠缠与空间非定域性的哲学思考 • 未来展望与发展方向
01
量子纠缠概述
量子纠缠的定义
纠缠态
两个或多个量子系统之间的一种 特殊关系，使得它们的状态无法 单独描述，而只能描述它们之间 的整体状态。
验证方法：通过实验测量纠缠粒子的某些物理量，并统计结果，可以验 证贝尔不等式是否被违反。如果实验结果违反贝尔不等式，则表明量子
力学中的非定域性存在，并证实了纠缠现象的超距作用。
以上内容提供了关于空间非定域性理论、非定域性与量子纠缠的关系以 及贝尔不等式与非定域性的验证等方面的基本介绍。这些内容构成了研 究量子力学中非定域性和纠缠现象的重要基础。
量子力学对我们的生活带来的改变
量子力学对我们的生活带来的改变量子力学不仅是现代物理学的重要理论基础，它的具体应用也开始在各个领域展现出显著的影响。
以下列举一些量子力学在现实生活中的具体应用实例，展示了它如何改变我们的日常生活和科技发展：首先是量子通信技术正在逐步实现实际应用，最著名的实例之一是量子密钥分发（QKD）。
量子密钥分发通过利用量子力学的基本原理生成和分发密钥，从而保证信息传输的绝对安全。
中国的“墨子号”量子科学实验卫星就是这一技术的先锋。
通过“墨子号”，研究人员成功地在地球和卫星之间进行了量子密钥分发实验，验证了量子通信在长距离传输中的可行性。
此外，已经有商业公司和政府机构在试验和实施量子通信网络，旨在保护金融交易、政府机密和商业数据免受网络攻击和窃听。
量子计算是另一个正在实际应用中的量子力学技术。
量子计算机利用量子比特的叠加态和纠缠效应，能够在某些计算任务上显著超越传统计算机的能力。
例如，谷歌在2019年宣布实现了“量子霸权”，成功演示了量子计算机在特定任务上比传统超级计算机更快地完成计算。
这一技术有望在药物研发、材料科学和优化问题等领域带来革命性进展。
例如，量子计算机可以模拟复杂的分子结构，帮助科学家发现新药物或优化现有药物的结构，从而加速新药的开发。
在材料科学领域，量子力学的应用推动了新型材料的设计和开发。
超导材料是量子力学的一项重要应用，它们在极低温下能够无阻力地传导电流，这一特性在电力传输和磁共振成像等领域具有重要意义。
高温超导材料的研究也为电力传输网络的优化提供了新的可能性。
例如，超导电缆可以实现更高效的电力传输，减少能量损耗，从而提高电力系统的整体效率。
量子成像技术是量子力学在医学和科学研究中的另一重要应用。
量子成像技术利用量子态的干涉和纠缠现象，能够提供比传统成像技术更高的分辨率。
这种技术在医学成像中可以实现更精确的诊断，例如在早期癌症筛查中提高检测灵敏度。
此外，量子成像还可以用于材料科学中的高分辨率显微镜，帮助研究人员观察和分析材料的微观结构。
张军 2005 (量子密码实验新进展_13km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)
34卷(2005年)10期特约专稿量子密码实验新进展———13k m 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3张 军 彭承志 包小辉 杨 涛 潘建伟(中国科学技术大学近代物理系 合肥微尺度物质科学国家实验室 合肥 230026)摘 要 实验实现了纠缠光子对通过地面大气13k m 的自由空间分发.实验表明,纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后,纠缠特性依然能够很好保持.文章作者观测了类空间隔Bell -CHSH 不等式的破坏,其S 值达到2145±0.09.在这个基础上,我们利用分发的纠缠光子对演示了BB84-Ekert91量子密码协议.这个实验第一次验证了用纠缠光子对进行地面和卫星量子通信的可行性,为未来的基于人造卫星全球化量子通信打下坚实的基础.文章将首先回顾量子密码实验方面的最新进展,然后再详细介绍作者的实验.关键词 纠缠,Bell 不等式,量子密码New progress on experi m ent a l quantu m cryptography———experi m ent a l free 2space distri buti on of ent angled photon pa i rs over 13k mZHANG Jun PENG Cheng 2Zhi BAO Xiao 2Hui Y ANG Tao PAN J ian 2W ei(D epart m ent of M odern Physics and Hefei N ational L aboratory for Physical Sciences at M icroscale,U niversity of Science and Technology of China,Hefei 230026,China )Abstract W e have experi mentally realised free 2s pace distribution of entangled phot on pairs thr ough a noisy gr ound at mos phere of 13km.It is shown that the desired entanglement can still survive after both photons have traversed a distance beyond the effective thickness of the aer os phere .W e observe a s pacelike separated vi olati on of the Bell 2Clauser 2Horne 2Shi mony inequality of 2.45±0.09.W ith this s ource we have demonstrated the BB842Ekert91quantum cryp t ography p rotocol .Our experi ment has shown for the first ti m e the feasibility of u 2sing entangled phot ons for ground 2t o 2satellite quantum co mmunication,and p resents a significant step t owards satellite 2based gl obal quantu m communicati on in the future .W e first review the rap id p rogress in quantum cryp 2tography over recent years and then describe our experi ment in detail .Keywords entanglement,Bell inequality,quantu m cryp t ography3 国家自然科学基金(批准号:10304016)、中国科学院知识创新工程和国家重点基础研究发展计划(批准号:2001CB309303)资助项目2005-07-08收到 通讯联系人.Email:pan@ustc .edu .cn1 量子密码简介20世纪最主要的革命性科学成果包括:相对论、量子力学、信息理论,相对论的成就已经得到公认,而最近几十年量子力学和信息科学相结合,诞生了一门崭新的学科———量子信息学[1,2],包括量子通信和量子计算两个部分.量子信息学中发展速度最快的分支学科就是由量子力学基本原理保证安全性的密码通信即量子密码[更精确地,应该称之为量子密钥分发(quantu m key distributi on ),不过使用・107・物理“量子密码”(quantu m cryp t ography )这个众所周知的术语并不妨碍我们的描述,在下文中我们将始终使用这个名词][3],这个量子力学奇特的性质可以简单的表述为:不可能进行不扰动系统的测量.在经典密码系统中,非对称的公钥密码系统例如RS A 、RC5等其安全性是基于大数因子分解,然而Shor 算法[4]表明,量子计算机的诞生将彻底打破这些系统的安全性,相比较而言,对称性的私钥密码系统如DES,AES,I D E A 等比公钥系统成本更低、速度更快,但是存在着分发密钥容易被窃听的问题.解决这些问题的方法就是采用量子密钥分发的手段以及利用Verna m 密码[5]即一次性(one -ti m e pad )密码进行加密和解密,也就是量子密码系统.近些年来,量子密码的理论、实验、实用化方面发展非常迅速,甚至已经有相关的量子密码产品问世,可以毫不夸张地说,量子密码是量子信息中第一个可以进行商业化应用并有可能改变未来安全通信方式的领域.量子密码的第一个协议是在1984年的一次I EEE 会议上由Bennett 和B rassard 提出,通常称之为BB84协议[6],我们简单介绍其原理过程:协议使用二能级系统的两套基矢四个量子态例如光子的极化态H 〉、V 〉以及+〉、-〉来实现,其中的两种量子态如H 〉、+〉编码为“0”而另外两种为“1”;作为通信双方之一的A lice 随机发送量子态给Bob,而Bob 也随机选择HV 或+-测量基矢;很明显,只有双方采用相同基矢他们才会获得相关的结果,通信完毕后,Bob 获得大量的原始密钥(ra w key ),然后Bob 通过经典信道公开自己的测量基矢,而A lice 获得Bob 测量信息后也公开自己是否采用和Bob 相同的基矢,双方仅仅保留基矢相同的密钥,通常称之为筛选密钥(sifted key );进一步地,双方可以通过经典密码系统的纠错(err or correcti on )、隐私放大(p rivacy a mp lificati on )等技术降低密钥的错误率,提高密钥的安全性.BB84协议刚提出时并没有得到重视,但是在最近十年却极大的促进了量子密码理论和实验方面的发展,成为整个量子密码领域的基石.另外,关于BB84协议的安全性,已经有人给出证明[7,8].除了BB84协议外,其他的量子密码协议有:两态协议(t w o -state p r ot ocol )[9]、六态协议(six -state p r ot ocol )[10,11]、基于纠缠光子的Ekert91协议[12]、多种BB84变种协议以及最近有人提出的差分相移协议(differential phase shift p r ot ocol )[13]等.从目前通过光学手段实现的一系列量子密码实验来看,实验中所采用的源主要有单光子源(或者称为弱激光脉冲源)和纠缠光子源两种,通信信道主要是光纤信道或者自由空间信道,编码方式有极化编码、相位编码、频率编码等多种方式.下面我们将介绍近些年来比较具有代表性和重要性的量子密码实验,并对不同实现方式的优点和缺点进行说明.量子密码的第一个演示性实验是由Bennett 等人在1989年完成的(文章是在1992年发表)[14],从那以后,国际上很多小组开始这方面的工作,主要实现的手段也是以光子作为载体,这是因为一方面光子和环境的相互作用———退相干(decoherence )比较容易控制,另一方面,可以利用传统光通信的相关器件、技术、工具等,这也是量子密码最先使用光纤信道的主要原因.第一个极化编码光纤量子密码实验是由日内瓦大学Gisin 小组在1993年完成的[15],距离达到1km ,所采用的单模光纤截止波长为800n m (这里需要说明一下,800nm 波长又被称作第一通信波长,因为这是光通信历史上最早采用的波长,这个波长最大的好处就是有成熟的光源和探测器技术,但是其致命的缺点就是光纤衰减大,所以现在的长程光通信波长一般选择衰减更小的1300n m 或者1550nm 波长,通常称之为第二、第三通信波长).实际上这个波长更适合于通过非线性晶体自发参量下转换技术(s pontaneous para metric do wn conversi on )[16]产生的极化纠缠光子对(polari 2zati on entangle ment phot on pairs )的光纤量子密码,实际上,这个实验直到2000年才由奥地利Zeilinger 小组完成[17].相比于第一通信波长,更多的光纤量子密码实验是在1300或1550nm 通信波长(习惯上,这两个波长简称为通信波长)完成的.而同样地,第一个基于极化编码的通信波长量子密码实验也是由Gisin 小组在1996年通过日内瓦湖底的光纤完成的[18,19],距离为23km.从此,大量利用不同手段和技术的通信波长量子密码实验相继开始展开,如爱尔兰T ownsend 小组利用被动光纤网络实现的多用户量子密码[20]、利用光纤多路复用技术实现的量子密钥和经典数据同步传输[21]等等.除了极化编码,在光纤中经常采用的是另外一种编码方式是相位编码.相位编码的概念最初是由Bennett 在1992年两态协议的文章中提出的[9],其基本思想是态制备和态测量都是在干涉仪中完成,不同的相位对应不同的编码.此后,更多的相位编码方案相继提出如双Mach -Zehnder 干涉仪(double Mach -Zehnder inter 2fer ometer )[22]、即插即用系统(p lug -and -p lay sys 2te m )[23]、基于能量-时间纠缠(energy -ti m e entan 2・207・特约专稿gle ment)[24]相位编码及相位-时间编码(phase-ti m e coding)[25]等等,相位同步和系统稳定性是相位编码最大的障碍.值得一提的是,最近Gisin小组的即插即用光纤量子密码系统已经把光纤长度提高到67k m[26],这也是目前量子密码领域里唯一产品化的方案.但是光纤也存在很大的缺陷,最主要因素就是单模光纤中的双折射效应以及光纤损耗.光纤中心附近存在的应力分布以及光纤几何的非对称将会使得光纤中传输的两个正交极化态的光子产生不同的相速度也就是双折射效应,这种效应在光纤工程中经常被有意制造成特殊功能的光纤如保偏光纤(po2 larizati on-maintaining fiber),但这种保偏光纤并不能解决光纤双折射引起的对光纤量子密码影响最大的极化模式色散(polarizati on mode dis persi on)效应,因为保偏光纤只能保持某个特殊方向的极化而不是任意极化方向.简单地说,就是光纤中不同极化模式具有不同的传输速度,从而通过光纤的传输时间不同,出射的极化态和入射的极化态也不完全相同.这里需要特别提到一下的是,虽然由于单模光纤的种种原因使其不利于基于极化纠缠光子对的量子密码,但最近加拿大滑铁卢大学的Lafla mme小组提出利用极化模式的时间延迟方法来克服单模光纤双折射效应引起的退相干[27],我们小组已经完成了这个方案的实验演示并获得重要的结果.当然,除了极化模式色散效应,单模光纤中还存在着其他次要的非对称效应如几何相位(geometric phase)、极化相关损耗(polarizati on-dependent l oss)等,这些效应对光纤量子密码影响不是很大.在实验中光纤这些双折射效应是通过自补偿装置(self-compensating con2 figurati ons)来消除的,如前面提到的Gisin小组的即插即用系统就是用法拉第镜(Faraday m irr or)来被动补偿光纤极化波动从而提高系统稳定性.另一方面,虽然通信波长的光纤比800n m波长的光纤衰减要小得多,但是光纤衰减对长距离光纤量子密码还是有着本质的影响,由于背景噪声、探测器技术、单光子源或者纠缠光子源的不完美性等原因限制了光纤信道的通信距离,最大距离大约在100k m左右.事实上,由于纠缠光子源的亮度限制使其很难用来作为长距离光纤通信,单光子源是比较现实的方案,但是为了防止如光子数攻击(phot on nu mber s p litter attack)等窃听策略其每脉冲平均光子数(mean pho2 t on nu mber)不能太高,同时目前探测器探测效率的不完美导致长距离光纤量子密码的密钥生成速度很难达到理想要求,目前光纤量子密码的光纤最远距离是122km[28],是由T oshiba欧洲研究中心在2004年完成的.为了解决长距离光纤量子通信中光子损耗以及双折射引起的退相干效应带来的最大距离限制,量子中继器(quantu m repeater)和自由空间量子密码(free s pace quantum cryp t ography)是两种比较可行的方案.量子中继器方案[29]包括纠缠制备(entan2 gle ment p reparati on)、纠缠交换(entangle ment s wap2 p ing)[30]、纠缠纯化(entangle ment purificati on)[31]、量子存储器(quantum memory)等部分,利用这个方案可以在遥远两地制备高品质的纠缠态,从而可以用于量子通信.近些来年,这方面的实验进展非常迅速,特别是在2003年,我们小组完成了量子中继器的实验演示[32].另外一种解决长距离光纤通信问题的方法是基于人造卫星的自由空间量子密钥分发,其基本思想是,在地面上制备好单光子源或者纠缠光子源,通过望远镜装置发送到人造卫星上,然后反射到其他卫星或者地面的其他地点,从而完成自由空间信道的建立.实际上,由于整个大气层厚度衰减等效于地面大气长度只有5km左右,而在外太空的衰减基本可以忽略不计,所以如果纠缠光子在地面大气分发距离能够超过10km的话(这里的意思是指通过10k m距离以后依然能够在有限时间内获得令人满意的纠缠光子对数量),那么理论上地面和卫星之间的量子通信是完全可行的,从而未来的全球化量子通信的可行性得到验证.自由空间信道的另外一个重要的优势是大气中本质上不存在双折射效应,同时大气传输损耗曲线表明在纠缠光子波长范围内(目前实验上纠缠光子的波长均在700—800n m内)信道的传输损耗是相当小的,另外这个波长范围内成熟的探测器技术、弱色散效应等都给自由空间量子密码实验带来便利的条件.但是,背景光噪声(backgr ound lights noise)、大气扰动(at m os2 pheric turbulence)带来的到达时间偏差(arrival-ti m e jitter)和光斑晃动(bea m wander)光斑发散(bea m divergence)、天气能见度(weather visibility)、信号同步等等多种因素将会给自由空间信道量子密码带来一系列问题,后面我们还会详细的讨论.在自由空间量子密码实验方面,目前国际上有多个小组开展这方面的工作,如美国Los A la mos国家实验室的Hughes小组、英国B rist ol大学的Rarity 小组、德国慕尼黑大学的W einfurter小组、奥地利维也纳大学的Zeilinger小组、中国科学技术的潘建伟・37・特约专稿 34卷(2005年)10期物理小组等等.自由空间量子密码实验最早是由Hughes小组在2000年完成[33],距离为1.6km ,采用单光子源方案.实际上在2003年Zeilinger 小组完成600m自由空间纠缠光子分发[34]之前的所有自由空间实验中包括2001年Rarity 小组的1.9km 自由空间密码[35]、2002年Hughes 小组10km 白天自由空间量子密码[36]、2002年W einfurther 小组的23.4k m 自由空间量子密码[37](这也是目前自由空间量子密码最远距离)等等都是采用单光子源的方案.而在我们的实验中[38],利用信号同步技术、自行设计参数的望远镜系统、高亮度纠缠光子源等优势,完成了通过地面大气13k m 的自由空间纠缠光子分发,这也是目前自由空间纠缠光子分发的最远距离,实验表明,纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后,纠缠特性依然能够很好保持.另外,我们观测了类空间隔Bell -CHSH 不等式的破坏,在这个基础上,我们利用分发的纠缠光子对演示了纠缠光子对BB84协议———Ekert91量子密码协议.这个实验第一次验证了地面和卫星进行量子通信的可行性,为未来的基于人造卫星全球化量子通信打下坚实的基础.下面我们来详细说明这个实验.2 13k m 自由空间纠缠光子分发实验如图1所示,实验中纠缠源地点选择在合肥市西郊海拔281m 的大蜀山顶安徽电视台发射塔下,两个接收者A lice 和Bob 分别坐落在离纠缠源717km ,5.3k m 的中国科学技术大学西校区和肥西县桃花镇,纠缠光子对中的一个光子通道通过了合肥市区上空,受到城市环境如空气污染、背景光等的严重影响,而另外一个通道由于在城市郊区,所以环境的影响相对来说要小一点.两个接收者的直线距离是10.5km ,由于建筑物的阻挡,两个接收端无法相互目视可见.在发送端,我们使用351.1nm 波长的氩离子激光器产生的激光,通过非线性晶体———BBO (beta -barium -borate )晶体,利用II 型参量下转换技术产生极化纠缠光子对.当激光器功率为300mW 时,在单光子探测器前面加2.8nm 相干滤波片(interfer 2ence filter )的情况下可以获得大约每秒10,000对702.2n m 波长的纠缠光子.为了获得更好的通信信道的传输效率以及信道系统稳定性,我们自行设计了两套传输系统,共包括4个相同的大型折射式望远镜.每个望远镜的长度图1 实验地点示意图(实验中纠缠源的地点我们选择在合肥市西郊大蜀山顶安徽电视台发射塔下面.通信双方之一的A lice 选择在中国科学技术大学西校区,而Bob 选择在肥西县桃花镇.纠缠光子通过了城市上空大气噪声环境,受到空气污染以及背景光的严重影响,在接收端没有加相干滤波片时夜晚的背景光计数依然能够达到大约每秒钟30,000个.左边的插图为发送端照片,右边的插图为A lice 端在夜间拍摄到的来自发送端的对准激光和同步激光的照片)为3.4m ,高度为1.7m ,重量为800kg,移动精确度为0.1角秒,焦距可达2m ,同时每台望远镜配备一个小型望远镜,以便定位以及多个目镜以获得不同的聚焦效果.望远镜的主要重量集中在底座上,从而保证了地面上望远镜的稳定性,而如果望远镜安装在卫星上,这种底座是不需要的.望远镜内部的每块镜片均镀了一层膜,使得在纠缠光子波长702.2n m 的透过率最大,每两个望远镜之间也就是每套传输系统的整体光学传输效率可以达到70%.实验期间,大蜀山顶的恶劣环境尤其是长年累月的大风给实验带来巨大的困难,当然我们采取了许多相应的措施来克服这些困难,例如建造两个特别的窗户来降低大风对发射望远镜稳定性的影响等等.发送端的纠缠光子收集到两根单模光纤(single -mode fiber )中并分别连接到两个发送望远镜,由于光纤中存在着前面我们提到的极化模式色散效应影响光子的极化方向,所以在纠缠光子扩束发射之前需要我们利用波片组成的极化控制器(polariza 2ti on contr oller )进行极化补偿,并把单模光纤固定起来.因为自由空间信道的距离较远,光斑的发散和晃动较大,接收端的光斑位置会随机地变化,从而降低收集效率,所以我们利用发送端的望远镜把发射光斑直径扩束到12cm 以后再发送,同样地,在接收端利用一个完全一样的望远镜进行接收,经过聚焦以及光学测量系统以后纠缠光子耦合到62.5μm 直径的多模光纤(multi m ode fiber )并进入单光子探测器・407・特约专稿 34卷(2005年)10期图2 实验方框图以及接收端光学示意图(在纠缠源发送端,我们首先把纠缠光和同步脉冲激光光束通过双色镜片耦合到一起,并利用望远镜系统分别分发到两个接收端.在接收端,类似地,用双色镜片把不同的波长的光束即纠缠光和同步脉冲激光分开.其中532nm 的同步脉冲激光通过反射镜和透镜耦合到光敏接收器上,把同步脉冲转化为幅度正比于能量的电信号,这个周期性的同步脉冲经过恒比定时器后的信号作为整个后端数据采集系统的触发信号.另一方面,纠缠光进入单光子极化分析系统,分束器用作基矢的随机选择,半波片和极化分束器进行极化测量.在极化分束器前面加入2个2.8nm 相干滤波片是为了降低背景光的计数.两个极化分束器分出的4个通道的光子通过耦合装置收集到多模光纤中并进入单光子探测器测量,探测器的输出信号进入数据采集系统.数据采集系统通过US B2.0接口连接计算机,两个接收端的计算机通过经典通信方式进行数据的离线软件处理)(single phot on detect or ).通过种种努力,我们可以使得整个系统稳定工作数个小时.在图1的右边插图中,我们可以看到非常清晰明亮的来自发送端的对准激光光束和同步激光光束.由于发送端到两个接收端的距离不等,所以纠缠光子到达接收端的飞行时间不同,同时由于空气扰动的原因导致光子到达时间存在晃动(时间晃动为ΔT ),为了更好地符合两个接收端的探测事件,必须要求符合时间窗口(coincident ti m e window )大于时间晃动ΔT .但是如果为了获得足够的符合计数而增大符合时间的话,会导致偶然符合(accidental coincident )事例增多,从而影响了纠缠光子的对比度.一般地,为了解决这种远程符合问题,通常有三种方法.第一种是电缆延迟符合.就是把A lice (或者Bob )的探测器信号通过电缆(或者中间可以利用放大器进行中继)拉到Bob 处和Bob 的探测器信号进行符合,当然,Bob 的信号也需要一定的延迟以便两个接收端信号对齐符合,Bob 的延迟可以通过光子飞行时间的差值以及A lice 的电缆长度进行计算.这种方法的优点就是简单、方便,适合于短距离的符合,但是缺点就是笨重,架设工程浩大,尤其在城市中操作起来更是相当麻烦.实际上,Zeilinger 小组在2003年的600m 纠缠光子分发的实验中[34],采用的就是这种远程符合方法.第二种方法是采用原子钟同步,就是说A lice 和Bob 两端分别记录光子探测事件的精确时间,并进行软件比较,在合适符合窗口出现的两个事例就可以认为是纠缠光子的符合事例.这种方法的最大优点就是精度非常高,但是这也导致了原子钟同步的高成本、需要初始化同步等问题.第三种方法就是我们采用的这种激光脉冲同步的方法,如图2所示,我们利用一个532n m 波长的调Q 激光器(Q -s witched laser )脉冲分成两份,并分别和纠缠光子耦合到一起,再通过望远镜发送给接收端.这样同步激光脉冲和纠缠光子飞行相同的距离,在接收端,我们测量每个单光子探测事例和相应的同步脉冲信号的时间差,通过经典通信以及软件分析,如果A lice 和Bob 两端事例相对各自同步脉冲信号时间差的差值在符合时间窗口之内的话,我们可以认为这两个事例是好符合事例,也就是这两个光子是纠缠光子.实验中,考虑到有多种因素会造成时间晃动,我们把符合时间窗口设定为20ns 左右.在接收端,如图2所示,首先用双色镜片(di 2chr oic m irr or )把在发送端同样用双色镜片耦合的不同波长的光束即纠缠光和同步脉冲激光分开.其中532n m 的同步激光脉冲通过反射镜和透镜耦合到光敏接收器(phot on receiver )上,把同步脉冲转化为幅度正比于能量的电信号,这个周期性的同步脉冲经过恒比定时器(constant fracti on discri m inat or )后的信号作为整个后端数据采集系统的触发(trigger )信号,这里需要说明的是,在A lice 端,由于距离较远而且由于城市空气污染等原因,使得同步激光脉冲的衰减比Bob 端大很多,所以A lice 端的光敏接收器信号是经过一个放大器后才进入恒比定时器的,而Bob 端则不需要放大器.另一方面,双色镜片分开的另一路纠缠光进入单光子极化分析系统,分束器(bea m s p litter )用作基矢的随机选择,半波片(half wave p late )和极化分束器(polarizati on bea m s p litter )进行极化测量.两个极化分束器分出的4个通道的光子分别通过相同的耦合装置(coup ler )收集到多・507・特约专稿物理模光纤(multi mode fiber )中并进入单光子探测器测量,探测器的输出信号进入数据采集系统.数据采集系统通过US B (universal serial bus )2.0接口连接计算机,两个接收端的计算机通过经典通信方式进行数据的离线软件处理(offline s oft w are p r ocess ).为了降低背景光计数,实验时间一般都选择在晚上进行,同时每个接收端都加了两个2.8n m 的相干滤波片,这样背景光计数一般可以降低到每秒钟400个左右.在天气能见度很好的情况下(大于15k m ),在Bob 端的单光子计数率大约为每秒40,000个而A lice 端只有大约每秒18,000个,符合计数率大约为每秒300个.而在正常的能见度条件下(10k m 左右),符合计数率大约可以达到每秒150个左右.在发送端的纠缠态可以写成如下形式:ψ-〉=12(H 〉A V 〉B -V 〉A H 〉B ),(1)其中A,B 分别代表发送到A lice 端和Bob 端的光子,H,V 代表光子的水平极化(horiz ontal polariza 2ti on )和垂直极化(vertical polarizati on ).纠缠源的本身对比度(也就是发送前)在HV 基矢下可以达到98%,而在+45°/-45°基矢下可以达到94%.而在两个接收端获得的纠缠光子中,如图3所示,在HV 基矢和+45°/-45°基矢下的对比度分别为94%和89%,平均对比度为91%,远远高于破坏Bell 不等式[39]所要求的71%的对比度.为了进一步验证我们获得的纠缠光子的品质,我们测量了Bell 不等式的一种特殊形式———CHSH 不等式(clauser -horne-shi m ony -holt inequality )[40].其中极化相关系数定义如下:E (<A ,<B )=N +++N ---N +--N -+N +++N --+N +-+N -+,(2)其中N ij (<A ,<B )代表了A lice 的第i 通道的极化角度为<A 和Bob 第j 个通道极化角度为<B 的符合计数.在CHSH 不等式中,其参量S 值定义为S =E (<A ,<B )-E (<A ,<B ′)+E (<A ′,<B )+E (<A ′,<B ′).(3)从局域实在(l ocal realistic )观点来看,不论<A 和<B设成什么角度,值总是小于2的.但是量子力学认为,S 值可以大于2,尤其当4个角度(<A ,<A ′,<B ′,<B ′)=(0°,45°,22.5°,67.5°)时,S 可以达到最大值2 2.这里需要说明一下的是,在以前的用光学方法检测局域实在理论或者说检测Bell 不等式破坏的实验中,主要存在两个漏洞,即探测效率漏洞和局图3 量子纠缠分发的验证曲线(为了验证两个接收端纠缠态的品质,我们测量了随A lice 极化角度变化的符合计数曲线.4条曲线分别对应了Bob 端4个不同的极化角度H 、V 、+45、-45.通过图中4条拟合的正弦曲线,我们可以看出在HV 基矢下对比度可以达到94%而在+45/-45基矢下可以达到89%,平均对比度为91%,远远高于破坏Bell 不等式所需要的对比度)域性漏洞,其中探测效率漏洞存在所有的光学实验中.而在我们这个实验中,我们演示了一种类空间隔的Bell 不等式的破坏,消除了局域性漏洞.实验中,如图2所示,每端的观测者利用分束器作为真随机基矢选择,再使用4个单光子探测器进行(0°,45°,2215°,67.5°)极化测量.实验的整个测量时间为20s,也就是两个类空间隔观测者的16个符合计数是同时测量的.另外,由于实验中的每个探测器的探测效率并不一样,所以两重符合计数需要按照其单路计数进行归一化.最后,我们获得S 的实验值为2.45±0.09,见表1,违反了CHSH 不等式5个标准方差.这个结果也说明了两个相距10多千米的接收端之间建立了纠缠.表1 CHSH 不等式相关系数测量值3E (<A ,<B )(0,22.5°)(0°,67.5°)(45°,22.5°)(45°,67.5°)数值-0.6810.764-0.421-0.581偏差0.0400.0360.0520.0463CHSH 不等式4个相关系数值如上表所示,其参量S 值为2.45±0.09,获得了5个标准方差的CHSH 不等式的破坏 接下来,我们利用了已经建立的纠缠资源进行纠缠光子BB84量子密码协议[6](也就是Ekert91量子密码协议[12])的演示.A lice 和Bob 利用分束器随机选择接收光子的测量基矢:HV 基矢或者+45/-45基矢,当双方选择相同的基矢时,他们的测量结果始终是反关联的,从而可以很简单地产生密钥.实验中在4分钟里总计产生了29,433个符合计数,由・607・特约专稿。
量子密钥分发实验数据采集系统
量子密钥分发实验数据采集系统
宋克柱;杨小军;张凌云
【期刊名称】《核电子学与探测技术》
【年(卷),期】2008(028)006
【摘要】介绍了为验证量子密钥分发协议而设计的专用数据采集系统.目前,国外实验中通常采用的是用Rb原子钟来做基准时钟的模拟系统,价格昂贵,相比之下本系统是采用全数字技术,利用现在功能强大的现场可编程逻辑阵列(FPGA)来实现所有的逻辑,总线接口设计成PCI插卡方式,使用方便,容易升级,并提供多种工作模式,可以连续不问断的采样数据.所采样数据直接存储到计算机,为量子密钥分发实验提供了-个简单、有力的实验工具.
【总页数】5页(P1290-1294)
【作者】宋克柱;杨小军;张凌云
【作者单位】中国科学技术大学近代物理系快电子学实验室,合肥,230026;中国科学技术大学近代物理系快电子学实验室,合肥,230026;中国科学技术大学近代物理系快电子学实验室,合肥,230026
【正文语种】中文
【中图分类】TP274.1
【相关文献】
1.基于BB84协议的量子密钥分发模拟实验 [J], 孙茂珠;
2.超过404km的测量设备无关量子密钥分发实验 [J], 尹华磊;刘慧;陈腾云;
3.超过404 km的测量设备无关量子密钥分发实验 [J], 尹华磊;刘慧;陈腾云
4.基于液晶电光效应的量子密钥分发演示实验 [J], 齐雅静;车修平;孙梦琳;白在桥
5.量子密钥分发系统中抗扰动偏振编码模式的实验研究 [J], 沈琦琦;张毅;王金东;於亚飞;魏正军;张智明
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
34卷(2005年)10期特约专稿量子密码实验新进展———13k m 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3张 军 彭承志 包小辉 杨 涛 潘建伟(中国科学技术大学近代物理系 合肥微尺度物质科学国家实验室 合肥 230026)摘 要 实验实现了纠缠光子对通过地面大气13k m 的自由空间分发.实验表明,纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后,纠缠特性依然能够很好保持.文章作者观测了类空间隔Bell -CHSH 不等式的破坏,其S 值达到2145±0.09.在这个基础上,我们利用分发的纠缠光子对演示了BB84-Ekert91量子密码协议.这个实验第一次验证了用纠缠光子对进行地面和卫星量子通信的可行性,为未来的基于人造卫星全球化量子通信打下坚实的基础.文章将首先回顾量子密码实验方面的最新进展,然后再详细介绍作者的实验.关键词 纠缠,Bell 不等式,量子密码New progress on experi m ent a l quantu m cryptography———experi m ent a l free 2space distri buti on of ent angled photon pa i rs over 13k mZHANG Jun PENG Cheng 2Zhi BAO Xiao 2Hui Y ANG Tao PAN J ian 2W ei(D epart m ent of M odern Physics and Hefei N ational L aboratory for Physical Sciences at M icroscale,U niversity of Science and Technology of China,Hefei 230026,China )Abstract W e have experi mentally realised free 2s pace distribution of entangled phot on pairs thr ough a noisy gr ound at mos phere of 13km.It is shown that the desired entanglement can still survive after both photons have traversed a distance beyond the effective thickness of the aer os phere .W e observe a s pacelike separated vi olati on of the Bell 2Clauser 2Horne 2Shi mony inequality of 2.45±0.09.W ith this s ource we have demonstrated the BB842Ekert91quantum cryp t ography p rotocol .Our experi ment has shown for the first ti m e the feasibility of u 2sing entangled phot ons for ground 2t o 2satellite quantum co mmunication,and p resents a significant step t owards satellite 2based gl obal quantu m communicati on in the future .W e first review the rap id p rogress in quantum cryp 2tography over recent years and then describe our experi ment in detail .Keywords entanglement,Bell inequality,quantu m cryp t ography3 国家自然科学基金(批准号:10304016)、中国科学院知识创新工程和国家重点基础研究发展计划(批准号:2001CB309303)资助项目2005-07-08收到 通讯联系人.Email:pan@ustc .edu .cn1 量子密码简介20世纪最主要的革命性科学成果包括:相对论、量子力学、信息理论,相对论的成就已经得到公认,而最近几十年量子力学和信息科学相结合,诞生了一门崭新的学科———量子信息学[1,2],包括量子通信和量子计算两个部分.量子信息学中发展速度最快的分支学科就是由量子力学基本原理保证安全性的密码通信即量子密码[更精确地,应该称之为量子密钥分发(quantu m key distributi on ),不过使用・107・物理“量子密码”(quantu m cryp t ography )这个众所周知的术语并不妨碍我们的描述,在下文中我们将始终使用这个名词][3],这个量子力学奇特的性质可以简单的表述为:不可能进行不扰动系统的测量.在经典密码系统中,非对称的公钥密码系统例如RS A 、RC5等其安全性是基于大数因子分解,然而Shor 算法[4]表明,量子计算机的诞生将彻底打破这些系统的安全性,相比较而言,对称性的私钥密码系统如DES,AES,I D E A 等比公钥系统成本更低、速度更快,但是存在着分发密钥容易被窃听的问题.解决这些问题的方法就是采用量子密钥分发的手段以及利用Verna m 密码[5]即一次性(one -ti m e pad )密码进行加密和解密,也就是量子密码系统.近些年来,量子密码的理论、实验、实用化方面发展非常迅速,甚至已经有相关的量子密码产品问世,可以毫不夸张地说,量子密码是量子信息中第一个可以进行商业化应用并有可能改变未来安全通信方式的领域.量子密码的第一个协议是在1984年的一次I EEE 会议上由Bennett 和B rassard 提出,通常称之为BB84协议[6],我们简单介绍其原理过程:协议使用二能级系统的两套基矢四个量子态例如光子的极化态H 〉、V 〉以及+〉、-〉来实现,其中的两种量子态如H 〉、+〉编码为“0”而另外两种为“1”;作为通信双方之一的A lice 随机发送量子态给Bob,而Bob 也随机选择HV 或+-测量基矢;很明显,只有双方采用相同基矢他们才会获得相关的结果,通信完毕后,Bob 获得大量的原始密钥(ra w key ),然后Bob 通过经典信道公开自己的测量基矢,而A lice 获得Bob 测量信息后也公开自己是否采用和Bob 相同的基矢,双方仅仅保留基矢相同的密钥,通常称之为筛选密钥(sifted key );进一步地,双方可以通过经典密码系统的纠错(err or correcti on )、隐私放大(p rivacy a mp lificati on )等技术降低密钥的错误率,提高密钥的安全性.BB84协议刚提出时并没有得到重视,但是在最近十年却极大的促进了量子密码理论和实验方面的发展,成为整个量子密码领域的基石.另外,关于BB84协议的安全性,已经有人给出证明[7,8].除了BB84协议外,其他的量子密码协议有:两态协议(t w o -state p r ot ocol )[9]、六态协议(six -state p r ot ocol )[10,11]、基于纠缠光子的Ekert91协议[12]、多种BB84变种协议以及最近有人提出的差分相移协议(differential phase shift p r ot ocol )[13]等.从目前通过光学手段实现的一系列量子密码实验来看,实验中所采用的源主要有单光子源(或者称为弱激光脉冲源)和纠缠光子源两种,通信信道主要是光纤信道或者自由空间信道,编码方式有极化编码、相位编码、频率编码等多种方式.下面我们将介绍近些年来比较具有代表性和重要性的量子密码实验,并对不同实现方式的优点和缺点进行说明.量子密码的第一个演示性实验是由Bennett 等人在1989年完成的(文章是在1992年发表)[14],从那以后,国际上很多小组开始这方面的工作,主要实现的手段也是以光子作为载体,这是因为一方面光子和环境的相互作用———退相干(decoherence )比较容易控制,另一方面,可以利用传统光通信的相关器件、技术、工具等,这也是量子密码最先使用光纤信道的主要原因.第一个极化编码光纤量子密码实验是由日内瓦大学Gisin 小组在1993年完成的[15],距离达到1km ,所采用的单模光纤截止波长为800n m (这里需要说明一下,800nm 波长又被称作第一通信波长,因为这是光通信历史上最早采用的波长,这个波长最大的好处就是有成熟的光源和探测器技术,但是其致命的缺点就是光纤衰减大,所以现在的长程光通信波长一般选择衰减更小的1300n m 或者1550nm 波长,通常称之为第二、第三通信波长).实际上这个波长更适合于通过非线性晶体自发参量下转换技术(s pontaneous para metric do wn conversi on )[16]产生的极化纠缠光子对(polari 2zati on entangle ment phot on pairs )的光纤量子密码,实际上,这个实验直到2000年才由奥地利Zeilinger 小组完成[17].相比于第一通信波长,更多的光纤量子密码实验是在1300或1550nm 通信波长(习惯上,这两个波长简称为通信波长)完成的.而同样地,第一个基于极化编码的通信波长量子密码实验也是由Gisin 小组在1996年通过日内瓦湖底的光纤完成的[18,19],距离为23km.从此,大量利用不同手段和技术的通信波长量子密码实验相继开始展开,如爱尔兰T ownsend 小组利用被动光纤网络实现的多用户量子密码[20]、利用光纤多路复用技术实现的量子密钥和经典数据同步传输[21]等等.除了极化编码,在光纤中经常采用的是另外一种编码方式是相位编码.相位编码的概念最初是由Bennett 在1992年两态协议的文章中提出的[9],其基本思想是态制备和态测量都是在干涉仪中完成,不同的相位对应不同的编码.此后,更多的相位编码方案相继提出如双Mach -Zehnder 干涉仪(double Mach -Zehnder inter 2fer ometer )[22]、即插即用系统(p lug -and -p lay sys 2te m )[23]、基于能量-时间纠缠(energy -ti m e entan 2・207・特约专稿gle ment)[24]相位编码及相位-时间编码(phase-ti m e coding)[25]等等,相位同步和系统稳定性是相位编码最大的障碍.值得一提的是,最近Gisin小组的即插即用光纤量子密码系统已经把光纤长度提高到67k m[26],这也是目前量子密码领域里唯一产品化的方案.但是光纤也存在很大的缺陷,最主要因素就是单模光纤中的双折射效应以及光纤损耗.光纤中心附近存在的应力分布以及光纤几何的非对称将会使得光纤中传输的两个正交极化态的光子产生不同的相速度也就是双折射效应,这种效应在光纤工程中经常被有意制造成特殊功能的光纤如保偏光纤(po2 larizati on-maintaining fiber),但这种保偏光纤并不能解决光纤双折射引起的对光纤量子密码影响最大的极化模式色散(polarizati on mode dis persi on)效应,因为保偏光纤只能保持某个特殊方向的极化而不是任意极化方向.简单地说,就是光纤中不同极化模式具有不同的传输速度,从而通过光纤的传输时间不同,出射的极化态和入射的极化态也不完全相同.这里需要特别提到一下的是,虽然由于单模光纤的种种原因使其不利于基于极化纠缠光子对的量子密码,但最近加拿大滑铁卢大学的Lafla mme小组提出利用极化模式的时间延迟方法来克服单模光纤双折射效应引起的退相干[27],我们小组已经完成了这个方案的实验演示并获得重要的结果.当然,除了极化模式色散效应,单模光纤中还存在着其他次要的非对称效应如几何相位(geometric phase)、极化相关损耗(polarizati on-dependent l oss)等,这些效应对光纤量子密码影响不是很大.在实验中光纤这些双折射效应是通过自补偿装置(self-compensating con2 figurati ons)来消除的,如前面提到的Gisin小组的即插即用系统就是用法拉第镜(Faraday m irr or)来被动补偿光纤极化波动从而提高系统稳定性.另一方面,虽然通信波长的光纤比800n m波长的光纤衰减要小得多,但是光纤衰减对长距离光纤量子密码还是有着本质的影响,由于背景噪声、探测器技术、单光子源或者纠缠光子源的不完美性等原因限制了光纤信道的通信距离,最大距离大约在100k m左右.事实上,由于纠缠光子源的亮度限制使其很难用来作为长距离光纤通信,单光子源是比较现实的方案,但是为了防止如光子数攻击(phot on nu mber s p litter attack)等窃听策略其每脉冲平均光子数(mean pho2 t on nu mber)不能太高,同时目前探测器探测效率的不完美导致长距离光纤量子密码的密钥生成速度很难达到理想要求,目前光纤量子密码的光纤最远距离是122km[28],是由T oshiba欧洲研究中心在2004年完成的.为了解决长距离光纤量子通信中光子损耗以及双折射引起的退相干效应带来的最大距离限制,量子中继器(quantu m repeater)和自由空间量子密码(free s pace quantum cryp t ography)是两种比较可行的方案.量子中继器方案[29]包括纠缠制备(entan2 gle ment p reparati on)、纠缠交换(entangle ment s wap2 p ing)[30]、纠缠纯化(entangle ment purificati on)[31]、量子存储器(quantum memory)等部分,利用这个方案可以在遥远两地制备高品质的纠缠态,从而可以用于量子通信.近些来年,这方面的实验进展非常迅速,特别是在2003年,我们小组完成了量子中继器的实验演示[32].另外一种解决长距离光纤通信问题的方法是基于人造卫星的自由空间量子密钥分发,其基本思想是,在地面上制备好单光子源或者纠缠光子源,通过望远镜装置发送到人造卫星上,然后反射到其他卫星或者地面的其他地点,从而完成自由空间信道的建立.实际上,由于整个大气层厚度衰减等效于地面大气长度只有5km左右,而在外太空的衰减基本可以忽略不计,所以如果纠缠光子在地面大气分发距离能够超过10km的话(这里的意思是指通过10k m距离以后依然能够在有限时间内获得令人满意的纠缠光子对数量),那么理论上地面和卫星之间的量子通信是完全可行的,从而未来的全球化量子通信的可行性得到验证.自由空间信道的另外一个重要的优势是大气中本质上不存在双折射效应,同时大气传输损耗曲线表明在纠缠光子波长范围内(目前实验上纠缠光子的波长均在700—800n m内)信道的传输损耗是相当小的,另外这个波长范围内成熟的探测器技术、弱色散效应等都给自由空间量子密码实验带来便利的条件.但是,背景光噪声(backgr ound lights noise)、大气扰动(at m os2 pheric turbulence)带来的到达时间偏差(arrival-ti m e jitter)和光斑晃动(bea m wander)光斑发散(bea m divergence)、天气能见度(weather visibility)、信号同步等等多种因素将会给自由空间信道量子密码带来一系列问题,后面我们还会详细的讨论.在自由空间量子密码实验方面,目前国际上有多个小组开展这方面的工作,如美国Los A la mos国家实验室的Hughes小组、英国B rist ol大学的Rarity 小组、德国慕尼黑大学的W einfurter小组、奥地利维也纳大学的Zeilinger小组、中国科学技术的潘建伟・37・特约专稿 34卷(2005年)10期物理小组等等.自由空间量子密码实验最早是由Hughes小组在2000年完成[33],距离为1.6km ,采用单光子源方案.实际上在2003年Zeilinger 小组完成600m自由空间纠缠光子分发[34]之前的所有自由空间实验中包括2001年Rarity 小组的1.9km 自由空间密码[35]、2002年Hughes 小组10km 白天自由空间量子密码[36]、2002年W einfurther 小组的23.4k m 自由空间量子密码[37](这也是目前自由空间量子密码最远距离)等等都是采用单光子源的方案.而在我们的实验中[38],利用信号同步技术、自行设计参数的望远镜系统、高亮度纠缠光子源等优势,完成了通过地面大气13k m 的自由空间纠缠光子分发,这也是目前自由空间纠缠光子分发的最远距离,实验表明,纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后,纠缠特性依然能够很好保持.另外,我们观测了类空间隔Bell -CHSH 不等式的破坏,在这个基础上,我们利用分发的纠缠光子对演示了纠缠光子对BB84协议———Ekert91量子密码协议.这个实验第一次验证了地面和卫星进行量子通信的可行性,为未来的基于人造卫星全球化量子通信打下坚实的基础.下面我们来详细说明这个实验.2 13k m 自由空间纠缠光子分发实验如图1所示,实验中纠缠源地点选择在合肥市西郊海拔281m 的大蜀山顶安徽电视台发射塔下,两个接收者A lice 和Bob 分别坐落在离纠缠源717km ,5.3k m 的中国科学技术大学西校区和肥西县桃花镇,纠缠光子对中的一个光子通道通过了合肥市区上空,受到城市环境如空气污染、背景光等的严重影响,而另外一个通道由于在城市郊区,所以环境的影响相对来说要小一点.两个接收者的直线距离是10.5km ,由于建筑物的阻挡,两个接收端无法相互目视可见.在发送端,我们使用351.1nm 波长的氩离子激光器产生的激光,通过非线性晶体———BBO (beta -barium -borate )晶体,利用II 型参量下转换技术产生极化纠缠光子对.当激光器功率为300mW 时,在单光子探测器前面加2.8nm 相干滤波片(interfer 2ence filter )的情况下可以获得大约每秒10,000对702.2n m 波长的纠缠光子.为了获得更好的通信信道的传输效率以及信道系统稳定性,我们自行设计了两套传输系统,共包括4个相同的大型折射式望远镜.每个望远镜的长度图1 实验地点示意图(实验中纠缠源的地点我们选择在合肥市西郊大蜀山顶安徽电视台发射塔下面.通信双方之一的A lice 选择在中国科学技术大学西校区,而Bob 选择在肥西县桃花镇.纠缠光子通过了城市上空大气噪声环境,受到空气污染以及背景光的严重影响,在接收端没有加相干滤波片时夜晚的背景光计数依然能够达到大约每秒钟30,000个.左边的插图为发送端照片,右边的插图为A lice 端在夜间拍摄到的来自发送端的对准激光和同步激光的照片)为3.4m ,高度为1.7m ,重量为800kg,移动精确度为0.1角秒,焦距可达2m ,同时每台望远镜配备一个小型望远镜,以便定位以及多个目镜以获得不同的聚焦效果.望远镜的主要重量集中在底座上,从而保证了地面上望远镜的稳定性,而如果望远镜安装在卫星上,这种底座是不需要的.望远镜内部的每块镜片均镀了一层膜,使得在纠缠光子波长702.2n m 的透过率最大,每两个望远镜之间也就是每套传输系统的整体光学传输效率可以达到70%.实验期间,大蜀山顶的恶劣环境尤其是长年累月的大风给实验带来巨大的困难,当然我们采取了许多相应的措施来克服这些困难,例如建造两个特别的窗户来降低大风对发射望远镜稳定性的影响等等.发送端的纠缠光子收集到两根单模光纤(single -mode fiber )中并分别连接到两个发送望远镜,由于光纤中存在着前面我们提到的极化模式色散效应影响光子的极化方向,所以在纠缠光子扩束发射之前需要我们利用波片组成的极化控制器(polariza 2ti on contr oller )进行极化补偿,并把单模光纤固定起来.因为自由空间信道的距离较远,光斑的发散和晃动较大,接收端的光斑位置会随机地变化,从而降低收集效率,所以我们利用发送端的望远镜把发射光斑直径扩束到12cm 以后再发送,同样地,在接收端利用一个完全一样的望远镜进行接收,经过聚焦以及光学测量系统以后纠缠光子耦合到62.5μm 直径的多模光纤(multi m ode fiber )并进入单光子探测器・407・特约专稿 34卷(2005年)10期图2 实验方框图以及接收端光学示意图(在纠缠源发送端,我们首先把纠缠光和同步脉冲激光光束通过双色镜片耦合到一起,并利用望远镜系统分别分发到两个接收端.在接收端,类似地,用双色镜片把不同的波长的光束即纠缠光和同步脉冲激光分开.其中532nm 的同步脉冲激光通过反射镜和透镜耦合到光敏接收器上,把同步脉冲转化为幅度正比于能量的电信号,这个周期性的同步脉冲经过恒比定时器后的信号作为整个后端数据采集系统的触发信号.另一方面,纠缠光进入单光子极化分析系统,分束器用作基矢的随机选择,半波片和极化分束器进行极化测量.在极化分束器前面加入2个2.8nm 相干滤波片是为了降低背景光的计数.两个极化分束器分出的4个通道的光子通过耦合装置收集到多模光纤中并进入单光子探测器测量,探测器的输出信号进入数据采集系统.数据采集系统通过US B2.0接口连接计算机,两个接收端的计算机通过经典通信方式进行数据的离线软件处理)(single phot on detect or ).通过种种努力,我们可以使得整个系统稳定工作数个小时.在图1的右边插图中,我们可以看到非常清晰明亮的来自发送端的对准激光光束和同步激光光束.由于发送端到两个接收端的距离不等,所以纠缠光子到达接收端的飞行时间不同,同时由于空气扰动的原因导致光子到达时间存在晃动(时间晃动为ΔT ),为了更好地符合两个接收端的探测事件,必须要求符合时间窗口(coincident ti m e window )大于时间晃动ΔT .但是如果为了获得足够的符合计数而增大符合时间的话,会导致偶然符合(accidental coincident )事例增多,从而影响了纠缠光子的对比度.一般地,为了解决这种远程符合问题,通常有三种方法.第一种是电缆延迟符合.就是把A lice (或者Bob )的探测器信号通过电缆(或者中间可以利用放大器进行中继)拉到Bob 处和Bob 的探测器信号进行符合,当然,Bob 的信号也需要一定的延迟以便两个接收端信号对齐符合,Bob 的延迟可以通过光子飞行时间的差值以及A lice 的电缆长度进行计算.这种方法的优点就是简单、方便,适合于短距离的符合,但是缺点就是笨重,架设工程浩大,尤其在城市中操作起来更是相当麻烦.实际上,Zeilinger 小组在2003年的600m 纠缠光子分发的实验中[34],采用的就是这种远程符合方法.第二种方法是采用原子钟同步,就是说A lice 和Bob 两端分别记录光子探测事件的精确时间,并进行软件比较,在合适符合窗口出现的两个事例就可以认为是纠缠光子的符合事例.这种方法的最大优点就是精度非常高,但是这也导致了原子钟同步的高成本、需要初始化同步等问题.第三种方法就是我们采用的这种激光脉冲同步的方法,如图2所示,我们利用一个532n m 波长的调Q 激光器(Q -s witched laser )脉冲分成两份,并分别和纠缠光子耦合到一起,再通过望远镜发送给接收端.这样同步激光脉冲和纠缠光子飞行相同的距离,在接收端,我们测量每个单光子探测事例和相应的同步脉冲信号的时间差,通过经典通信以及软件分析,如果A lice 和Bob 两端事例相对各自同步脉冲信号时间差的差值在符合时间窗口之内的话,我们可以认为这两个事例是好符合事例,也就是这两个光子是纠缠光子.实验中,考虑到有多种因素会造成时间晃动,我们把符合时间窗口设定为20ns 左右.在接收端,如图2所示,首先用双色镜片(di 2chr oic m irr or )把在发送端同样用双色镜片耦合的不同波长的光束即纠缠光和同步脉冲激光分开.其中532n m 的同步激光脉冲通过反射镜和透镜耦合到光敏接收器(phot on receiver )上,把同步脉冲转化为幅度正比于能量的电信号,这个周期性的同步脉冲经过恒比定时器(constant fracti on discri m inat or )后的信号作为整个后端数据采集系统的触发(trigger )信号,这里需要说明的是,在A lice 端,由于距离较远而且由于城市空气污染等原因,使得同步激光脉冲的衰减比Bob 端大很多,所以A lice 端的光敏接收器信号是经过一个放大器后才进入恒比定时器的,而Bob 端则不需要放大器.另一方面,双色镜片分开的另一路纠缠光进入单光子极化分析系统,分束器(bea m s p litter )用作基矢的随机选择,半波片(half wave p late )和极化分束器(polarizati on bea m s p litter )进行极化测量.两个极化分束器分出的4个通道的光子分别通过相同的耦合装置(coup ler )收集到多・507・特约专稿物理模光纤(multi mode fiber )中并进入单光子探测器测量,探测器的输出信号进入数据采集系统.数据采集系统通过US B (universal serial bus )2.0接口连接计算机,两个接收端的计算机通过经典通信方式进行数据的离线软件处理(offline s oft w are p r ocess ).为了降低背景光计数,实验时间一般都选择在晚上进行,同时每个接收端都加了两个2.8n m 的相干滤波片,这样背景光计数一般可以降低到每秒钟400个左右.在天气能见度很好的情况下(大于15k m ),在Bob 端的单光子计数率大约为每秒40,000个而A lice 端只有大约每秒18,000个,符合计数率大约为每秒300个.而在正常的能见度条件下(10k m 左右),符合计数率大约可以达到每秒150个左右.在发送端的纠缠态可以写成如下形式:ψ-〉=12(H 〉A V 〉B -V 〉A H 〉B ),(1)其中A,B 分别代表发送到A lice 端和Bob 端的光子,H,V 代表光子的水平极化(horiz ontal polariza 2ti on )和垂直极化(vertical polarizati on ).纠缠源的本身对比度(也就是发送前)在HV 基矢下可以达到98%,而在+45°/-45°基矢下可以达到94%.而在两个接收端获得的纠缠光子中,如图3所示,在HV 基矢和+45°/-45°基矢下的对比度分别为94%和89%,平均对比度为91%,远远高于破坏Bell 不等式[39]所要求的71%的对比度.为了进一步验证我们获得的纠缠光子的品质,我们测量了Bell 不等式的一种特殊形式———CHSH 不等式(clauser -horne-shi m ony -holt inequality )[40].其中极化相关系数定义如下:E (<A ,<B )=N +++N ---N +--N -+N +++N --+N +-+N -+,(2)其中N ij (<A ,<B )代表了A lice 的第i 通道的极化角度为<A 和Bob 第j 个通道极化角度为<B 的符合计数.在CHSH 不等式中,其参量S 值定义为S =E (<A ,<B )-E (<A ,<B ′)+E (<A ′,<B )+E (<A ′,<B ′).(3)从局域实在(l ocal realistic )观点来看,不论<A 和<B设成什么角度,值总是小于2的.但是量子力学认为,S 值可以大于2,尤其当4个角度(<A ,<A ′,<B ′,<B ′)=(0°,45°,22.5°,67.5°)时,S 可以达到最大值2 2.这里需要说明一下的是,在以前的用光学方法检测局域实在理论或者说检测Bell 不等式破坏的实验中,主要存在两个漏洞,即探测效率漏洞和局图3 量子纠缠分发的验证曲线(为了验证两个接收端纠缠态的品质,我们测量了随A lice 极化角度变化的符合计数曲线.4条曲线分别对应了Bob 端4个不同的极化角度H 、V 、+45、-45.通过图中4条拟合的正弦曲线,我们可以看出在HV 基矢下对比度可以达到94%而在+45/-45基矢下可以达到89%,平均对比度为91%,远远高于破坏Bell 不等式所需要的对比度)域性漏洞,其中探测效率漏洞存在所有的光学实验中.而在我们这个实验中,我们演示了一种类空间隔的Bell 不等式的破坏,消除了局域性漏洞.实验中,如图2所示,每端的观测者利用分束器作为真随机基矢选择,再使用4个单光子探测器进行(0°,45°,2215°,67.5°)极化测量.实验的整个测量时间为20s,也就是两个类空间隔观测者的16个符合计数是同时测量的.另外,由于实验中的每个探测器的探测效率并不一样,所以两重符合计数需要按照其单路计数进行归一化.最后,我们获得S 的实验值为2.45±0.09,见表1,违反了CHSH 不等式5个标准方差.这个结果也说明了两个相距10多千米的接收端之间建立了纠缠.表1 CHSH 不等式相关系数测量值3E (<A ,<B )(0,22.5°)(0°,67.5°)(45°,22.5°)(45°,67.5°)数值-0.6810.764-0.421-0.581偏差0.0400.0360.0520.0463CHSH 不等式4个相关系数值如上表所示,其参量S 值为2.45±0.09,获得了5个标准方差的CHSH 不等式的破坏 接下来,我们利用了已经建立的纠缠资源进行纠缠光子BB84量子密码协议[6](也就是Ekert91量子密码协议[12])的演示.A lice 和Bob 利用分束器随机选择接收光子的测量基矢:HV 基矢或者+45/-45基矢,当双方选择相同的基矢时,他们的测量结果始终是反关联的,从而可以很简单地产生密钥.实验中在4分钟里总计产生了29,433个符合计数,由・607・特约专稿。