量子通信：对光进行量子态的编码，除了多种偏振态，还有它…

滨松

2017.12.28

作者滨松中国

TA的动态

就在上周，《自然》2017年度十大科学人物正式发布了，我国物理学家、中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟教授则是其中之一。

图源：tech.sina.com.cn

潘建伟教授是何许人也？

2016年8月16日，我国研制的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利升空，潘建伟教授领衔的 “墨子号”团队仅用一年多的时间，就完满完成了预定的三大科学实验任务：量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。让中国远距离量子通信技术一跃至世界领跑地位，他也被国人称为“量子之父”。

量子通信，是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通讯方式，时下在世界范围内都备受关注。因为它相对于现在普遍认知的传统通信，具有颠覆性的改变，面向了我们未来的通信发展。

图源：tupian.baike.com

量子通信除了能让信息绝对安全之外，还有一个巨大的优势是信息传递的数量上要比传统通信高出很多个数量级。潘建伟教授团队中另一位关键人物陆朝阳教授，在2016年底于国家天文台讲解“更高自由度的隐形传态的难度”时提到，三个自由度的隐形传态需要10个光子，会在两年之内实现20个光子的操控；当达到48个光子时，量子计算机便可超越最强传统计算机，成为世界上最为强大的计算机。

传统通信中的经典比特只有0和1两个自由度，而量子比特有例如0+1，00+01+10+11，000+001+010+……，……具有2^N个自由度，带来的就是巨大的通信量级，就像陆老师说的“孙悟空拔根豪毛变出猴万个”。

2017年7月，潘建伟教授团队公开了他们打破量子隐形传态的记录：将地面上一个光子的量子态传送给了距它1400千米的轨道卫星上的一个光子。9月，团队通过卫星向北京和维也纳发射光子，分配了可以使该两个城市中的团队在绝对信息安全的状态下进行视频聊天的量子秘钥。因为对光子的探测会干扰光子的量子态，黑客就无法在不被发现的情况下截获秘钥。

“墨子号”阿里地面站量子隐形传态实验现场图

图源：mil.news.sina.com.cn

和其他百公里长距离通信试验一样，潘教授团队采用的，也是多种偏振态对光进行量子态的编码。不过，经过大量研究发现，还有一种方式，可以携带更大量的信息，并具有广泛的应用前景，那就是以轨道角动量对量子态进行编码的涡旋光。

什么是涡旋光？

在光学中，一类光束具有螺旋相位波前结构，或者相位奇点的特殊光场分布，其波前沿传播方向上的轴螺旋前进，这种旋转导致光束在光轴处相互抵消，投影到一个平面上看起来像中心暗孔的光环，这类光波就通常被称作“光学涡旋（Optical Vortices,简称OV）”，也就是我们这里说的“涡旋光”。

带有轨道角动量的涡旋光束

使用相机：滨松C10633-23 InGaAs相机

涡旋光具有确定的光子轨道角动量（OAM），利用涡旋光束的轨道角动量可对信息进行编码与传输。这种新型的编码方式有很多独特的优点。普通计算机为0，1二进制编码，而涡旋光拓扑荷可任意改变，增加编码程度，可用于密码通信，而它的优势就在于：

1）由于拓扑荷值l的取值可以为整数，零，甚至分数，所以有很高的编码能力；

2）具有更高的保密性。

由于光子轨道角动量本征态在数学上构成了一组完备的正交基矢，因此可以利用轨道角动量来实现高维信息的编码，这种优势不仅体现在经典光通信领域，也体现在我们刚刚说到的量子通信领域。

2014年，潘建伟教授的原博士生导师，即现在维也纳大学的合作者Anton Zeilinger 教授就使用空间光调制器（LCOS-SLM）产生涡旋光（一键回看：如何产生涡旋光？），实现了在维也纳城市上空跨越三公里的空间调制光通信（M. Krenn, R. Fickler, M. Fink, J. Handsteiner, Communication withspatially modulated light through turbulent air across Vienna. New J. Phys. 16,113028 (2014).）而潘教授团队——中科大上海研究院以及中科大合肥本部的众多研究人员，也都在从事涡旋光相关的研究。