小卫星可实现量子密钥分发

根据国际空间站的实验,可以从一只手可抬起的轨道运行设备上发射无法攻破的量子密钥,实现通信保密。

新加坡国立大学量子技术研究中心发射了一颗微小实验卫星——SpooQy-1立方星,该卫星装有可以发射纠缠光子对的光学器件。纠缠光子可共享量子力学特性,通过测量该光子对中一个成员的状态(例如其偏振)可立即获悉其伙伴状态。这种纠缠可能是量子密钥分发的基础,其中加密密钥用于解码消息。如果窃听者拦截其中一个光子并对其进行测量,就会同时改变两个光子的状态,而用户就会得知密钥已被破坏。

SpooQy-1立方星包含一台小型量子仪器,可创建具有量子纠缠性质的光子对。利用光子偏振相关性检测量子纠缠。

SpooQy-1立方星于2019年6月从国际空间站释放。纠缠光子对的发射及其测量均在卫星内部进行。

这不是研究人员第一次在太空生成纠缠光子。中国于2016年发射了“墨子号”卫星,并用它将纠缠光子传输给西藏山区的分离接收机。但是,“墨子号”卫星体积大,重达600多千克。而这颗名为SpooQy-1的新卫星安装在一个长30厘米、宽10厘米、高10厘米的长方体盒子中,其大小正好容纳三个棒球,重量仅为2.6千克。

要想创建一个能够在全球范围内发射量子数据的轨道网络,需要发射低成本小型、轻重量卫星,因为其发射费用要低得多。为此,研究团队使用了由10厘米×10厘米模块化立方体构建的立方星。

研究团队只有一块很小的太阳能电池板,需要保持低功率需求,因此他们决定放弃主动对准光学元件并将其全部锁定到位。该设备通过特殊晶体(该晶体将光子分裂为两个较低能量光子)发射激光,可生成纠缠对。该设备还需要一面镜子、一个偏光镜、一个光电二极管以及其他光学元件,这些光学元件在卫星发射振动以及卫星进出太阳光引发热变化而导致运动的过程中需要保持对准。

并非所有来自激光器的光子都会纠缠在一起,但研究团队测得了每秒2200个纠缠光子的速率。只需将更多精力放在聚焦激光发射上,就可将这一速率提高两个数量级。

研究团队下一步计划建立一个带有望远镜的设备版本,将光子对准地球接收器。这是新加坡国家研究基金会与英国航天局之间一项联合计划的关键,该计划将花费1300万美元开发小型量子通信卫星。研究人员表示,这项工作有可能最早在2022年或2023年推出商业版本。

2020-06-30智邦网

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