漫画 | 这实验原本只能半夜做，他们为什么敢挪到白天？

这是Sheldon的第51篇漫画，所有图片大约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

本文已发表于墨子沙龙

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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。