漫画 | 如何在太阳光下，找到藏着量子密钥的单个光子？
这是Sheldon的第50篇漫画，所有图片大约为4.5MB.
“墨子号”量子实验卫星已经上线一周年了，并且圆满地完成了科学家安排的三个实验任务：
1. 星地间量子密钥分发；
2. 量子隐形传态；
3. 在千公里的距离上测量贝尔不等式。
可是最近，它遇到了一个新的烦恼。
因为这些实验原本只能在半夜最黑的时候进行，现在科学家却要求它把实验挪到白天。肿么办啊？肿么办！……
我之前做的量子密钥分发实验，
虽然很成功，
但是只能在半夜的时候做。
因为在这个实验中，
我向地面发射光子，
而且每次只能发射一个。
白天阳光那么强，
一个光子哪里看得清啊！
我的轨道高度只有5百公里。
每天躲在地球影子里的时间，
大概有三分之一。
要是想在全球搞量子通信，
就得进入地球同步轨道，
也就是3万6千多公里。
可是离地球越远，
被太阳晒的时间就越长。
到时候卫星天天被阳光干扰，
如果我不想出解决办法，
量子通信恐怕就会难搞得多。
如果让太阳光穿过三棱镜，
它就会分解成各种颜色的光。
紫色光的波长最短，
红色光的波长最长。
在红色光之外的区域，
其实还有很多肉眼看不到的光，
叫做红外线！
它的波长比红色光还要长。
在之前半夜开展的实验中，
量子实验卫星发射的光子，
波长是800纳米，
也属于近红外线的波段，
算是波长1550纳米光子的表哥。
这两种光子到底哪个效果好，
做实验比一比才会知道。
在强烈的阳光下，
800纳米的光子几乎消失了，
因为背景实在太亮了。
相比之下，
1550纳米的光子就清楚很多！
道理很简单！
太阳虽然发出各种波长的光，
但是有的光子多一些，
有的光子少一些。
在800纳米的波长上，
太阳发射的光子很多，
大气对光子的散射很厉害，
产生的干扰噪声也就多。
在1550纳米的波长上，
太阳发射的光子较少，
大气的散射也小，
产生的干扰噪声也就少。
于是，
中科大的潘建伟教授，
及其同事彭承志，张强等，
利用1550纳米波长的光子，
成功地在青海湖两岸的阳光下，
开展了量子密钥分发实验。
在这次实验中，
他们每发射10万个光子，
就有99998个光子被损耗掉。
（即光子损耗为48dB，
这是为了模拟星地通信的环境。）
但剩下的光子抵达了接收器，
成功地传输了量子密钥。
在这次的量子通信实验中，
为了减少各种噪声的干扰，
他们除了调整光子的波长，
还用到了两种方法。
一是光谱滤波，
也就是把其他频率的光子都拦在外面。
二是空间滤波，
说白了就是减小接收光子的空间范围。
这篇实验写成的论文，
发表在了《自然•光学》上。
实验结果说明，
本来让卫星发送量子密钥，
只能趁半夜最黑的时候。
现在白天也可以发送了。
这就为下一步
构建量子通信卫星网络，
打下了坚实的技术基础。
量子实验卫星再也不发愁啦。
美指：牛猫
绘制：赏鉴
排版：胡豆
鸣谢：廖胜凯，任继刚
彭承志，印娟，刘乃乐
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参考文献：
Sheng-Kai Liao, et al. , Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication, Nature Photonics 11, 509–513 (2017).
注：本文中提到的800nm泛指一个波段，在通常的量子通信实验中，光子的波长可以是780nm，810nm和850nm，或者772nm、813nm等。
为什么以前的实验不用1550nm的光子呢？因为在这个波长上，常规的单光子探测器的效果很差，不但噪声大，而且遗漏的光子很多（探测效率低下）。所以，在自由空间远距离量子密钥分发实验中，科学家通常使用800nm的光子。
近年来，国外科学家发展了一种新型的超导单光子探测器，可以很好地测量1550nm的光子，但它体积很大，而且需要在低温下才能正常工作。
为了更高效地完成相关实验，中科大的科研组自主研制了一种“上转换单光子探测器”。
这种探测器并不是单纯地探测1550nm的光子，而是将它的信号转换成波长更短、能量更高的可见光。
跟国外的同类产品相比，中科大自主研制的探测器不需要制冷剂，不会增加很多噪声（窄带滤波），也不会遗漏太多光子（探测效率高），助了白天量子密钥分发实验一臂之力。
为了减小光子的接收范围，同时又不至于将真正的信号挡在接收范围之外，科研团队还发展了自由空间光束单模光纤耦合技术。
所以，在白天的量子密钥分发实验中，中科大的科研组一共用了三个招数：
1. 使用1550nm作为工作波长；
2. 使用自主研制的上转换单光子探测器；
3. 发展了自由空间光束单模光纤耦合技术。
墨子沙龙
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