上海交通大学金贤敏课题组：世界首次成功实现水下量子通信实验

        近期，上海交通大学金贤敏团队成功实现了首个海水量子通信实验，观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性，国际上首次实验验证了水下量子通信的可行性，这标志着向未来建立水下以及空海一体量子通信网络迈出了重要一步。

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基于光纤和大气信道的量子通信已经被证明是可行的，近年来得到了长足发展。然而，覆盖了地球70%的海洋是否可以被用作量子信道仍然是未知的。缺少了海洋，全球化的量子通信网是不完整的。 该工作展示了量子通信除了“上天、入地”，还可“下海”。

研究团队采用大连市到獐子岛之间黄海海域不同位置的表层海水作为样本。实验中,单光子被制备在6个基本极化编码初态上，在经过海水信道后，在适当的极化补偿后，每个出射态在H/V，D/A，R/L三对正交矢上进行投影测量，从而可以重构出出射光子的量子态密度矩阵，并计算出射态投影到入射态上的保真度（图1）。每个海水样本的每个入射基本态的保真度都高达98%以上。

图1  单光子海水量子通信实验图与极化态测量结果

研究者在实验中制备出最大纠缠态，通过对纠缠对保真度、极化关联曲线和Bell不等式三个量子纠缠特性的测量，证明了纠缠光子能够在海水信道保持其量子特性。另外，研究团队还构建了单光子散射模型，表明即使在非常大的损耗和散射情况下，在实际接收数值孔径内，极化编码的光子只会丢失，而不会发生不可接受的量子比特翻转。也就是说，只要有少量的单光子存活下来，仍然可以被用于建立安全密钥。理论和实验结果都证实未来从深达数百米的潜器对空进行量子通信和数据传输这一极具战略价值的应用的可行性，未来水下及空海一体量子通信网络可期。

该成果发表后立即被国际科学杂志New Scientist以First underwater entanglement could lead to unhackable comms 为题进行了报道，加拿大量子卫星项目负责人 Thomas  Jennewein 指出：虽然以前也讨论过水下量子通信的想法，但是迄今还没有看到任何人做过这样的实验。英国Physics World以Qubits can swim through seawater 为题进行了报道，并指出未来对潜艇等水下目标进行保密通信的前景。同日，The Next Web （TNW）  和 Gizmodo 分别以 Scientists developed unhackable communication based on underwater teleportation 和Physicists Use Lasers to Set Up First Underwater Quantum Communications Link 为题进行了报道。Foundational  Questions  Institute  (FQXI) 将该工作视为继墨子号量子卫星之后，中国在量子通信领域取得的又一里程碑工作。之后 ，DailyMail、USweekly、新华社、科技日报、文汇报、新民晚报以及各主要网络媒体也都进行了跟踪报道。

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量子通信技术

量子通信技术是以单光子为信息载体，结合量子叠加和量子不可克隆等量子力学基本物理原理，和通信与系统、计算机科学，以及光科学与工程等学科交叉融合发展起来的新一代信息技术。量子通信有望帮助人类实现真正意义的无条件安全的保密通信，在未来的金融、军事、公共信息安全等方面展现出极大的发展前景，已成为未来信息技术发展的重要战略性方向之一。基于光纤和自由空间大气信道的量子通信已经被证明是可行的，近年来得到了长足的发展。然而覆盖了地球70%的海洋是否可以被用作量子信道仍然是未知的。缺少了海洋，全球化的量子通信网是不完整的。该工作展示了量子通信技术不仅可以“上天、入地”，还可以“下海”。

相比于光纤和大气，海水中的悬浮物和盐度等对光子导致的散射和损耗效应要大得多，因此，量子态能否在海水信道中存活，什么样的量子态适合在海水中传输而不发生退相干，都是不清楚的。其实，海水也有个光子传输损耗较低的蓝绿窗口，并且这个波段仍然是商用单光子探测器可以探测的。另外，考虑到海水的各向同性，在各种光子自由度中，研究团队选择了光子的极化作为信息编码的载体。通过模拟，他们还展示了在非常大的损耗和散射情况下，极化编码的光子只会丢失，而不会发生不可接受的量子比特翻转。也就是说，即使经历了海水巨大的信道损耗，只要有少量的单光子存活下来，仍然可以被用于建立安全密钥。

目前的结果显示水下量子通信可达到的距离是在几百米量级，虽然相比于光纤和大气信道较短，但是能对水下百米量级的潜艇和传感网络节点等进行保密通信在军事和高机密商业领域已经很有用了。设想，即使是从水下几米深的地方对卫星和飞行器进行保密通信，也比之前认为海水是个绝对的屏障和禁区更进了一步。

但是必须认识到，目前只是朝着水下量子通信迈出了第一步，离实现可实用化的水下、空海一体的量子通信连线和网络还有很多工作要做，仍然任重而道远。

海洋是全球化量子通信网络的最后一块拼图

时至今日，已有多种量子通信方案被提出。如1984年Charles H.Bennett和Brassard提出BB84协议；1991年，Ekert提出E91方案。而在实验上，由Bennet小组于1989年首次实现了大气自由空间30 cm的量子通信，随后，国际上量子通信实验研究如雨后春笋般蓬勃迅速。

中国作为一个新兴的量子信息研究国家，不断刷新基于大气自由空间信道和基于光纤信道的量子通信距离的世界纪录，创造了多个里程碑，随着2016年中国首个量子卫星“墨子号”的发射，基于自由空间的量子通信已实现上千公里的距离，并计划在未来实现覆盖全球的量子卫星通信网络。

然而覆盖了地球70%的海洋是否可以被用作量子信道呢？利用可见光进行水下通信的想法可追溯到上世纪60年代，当时一系列实验证明400~550 nm的蓝绿可见光在海水中的衰减远小于其他可见波段，即可作为水下通信的“透明窗口”。随着美军提出卫星—潜艇通信可行性研究之后，激光对潜艇通信迅速成为美国的战略性研究计划。但海水对电磁波能量的吸收作用很强，且波长越短，衰减越大，即便有这种“透明窗口”，在水下几米深处对卫星和飞行器进行保密通信，也成为海水的“通信禁区”。 

在此之前，海水能否作为量子通信信道一直是个未解之谜，英美科学家做过一些理论研究，但迄今未曾进行过实验探索。海水量子通信，将与量子卫星互为补充，构建起全方位，立体化的量子通信网络，换言之，海水量子通信将填补上全球化量子通信网络的最后一环。

海洋能作为量子信道吗？

首先，是海水对光的损耗问题。在海水中，很强的吸收和散射看起来对光的传输非常不利，这也是为什么海水乍看起来并不是做为量子通信的好的介质。克服这个困难的方法是利用405 nm的光子，这个波段位于海水的“蓝绿窗口”，在此窗口内，海水的吸收较其他波段要弱。

为了验证海水作为量子通信信道的可行性，并不失一般性，他们在提取海水样本时，均取自大连市到獐子岛之间沿岸海域不同位置的表层海水（图2）。

图2  实验中所选取的6个海水样本的经纬度坐标

实验上，测得了海水样本的平均衰减系数为0.35365±0.00680 m^-1，蒸馏水的衰减系数则为0.08070±0.00930 m^-1。Jerlov于1951年根据每米海水中光的光谱透射系数，将海域进行分类，这里所选取的水域样本属于Jerlov水型1，根据Amsterdam: Elsevier  Scientific  Publishing资料所示：离海岸越远的水样，水体样本中的悬浮粒子数量越少，激光在海水中的透过率越大，从而导致的信号的衰减量越小。在远离海岸线的远海区域，在作为海水激光通信的蓝绿窗口波段，洁净海水的衰减系数为0.018 m^-1，以量子通信中可接受的70 dB损耗阈值来计算，预期的海水通信距离可以接近885 m，当然，这只是粗略的估计，真实环境下的几何损耗和海水湍流带来的影响会进一步缩短海水作为信道的通信距离。

其次，是量子态在海水中的抗干扰能力。对应经典信息中的比特，量子比特是量子通信的基本单元。那经过海水信道之后，量子比特能否“存活”下来呢？实验给出的回答是肯定的。研究人员利用光子的极化做编码，海水是一种各向同性介质，因此不会有很强的退极化效应，这就为极化编码的量子比特穿越海水提供了前提。实验也验证了光子的极化能在海水分子的多次碰撞中存活并传输,任何发生退极化的光子都可以通过滤波的方式予以滤除。

此外，本实验还利用量子过程层析来刻画海水信道中初末态转化的物理过程，实验结果显示海水信道的综合作用类似于一个单位矩阵，即使经历了海水巨大的信道损耗，只要有少量的单光子存活下来，极化编码的光子只会丢失，而不会发生不可接受的量子比特翻转，仍然可以被用于建立安全密钥。

量子纠缠能穿越海水吗？

最后，我们实验验证了光子的纠缠特性能否在海水信道中保持下来。量子纠缠作为一种重要的资源，被广泛应用于量子信息科学，包括量子通信、量子隐形传态等。因此，研究海水对纠缠源品质影响，是探索未来海水量子通信实用化非常重要的一步。

实验上制备出最大纠缠态，将纠缠对中的一个光子进行本地投影测量，另一个分发通过水管后（空气和海水两种情况）再进行投影测量，并由双光子量子态层析方法测算得到经过海水微扰后的量子纠缠态的密度矩阵。通过在不同基矢组合下的投影测量，可以重构出双光子纠缠态的密度矩阵，如图3所示。

图3 （a）空气（b）海水信道重构出的纠缠态密度矩阵

通过计算可得到在有海水和没有海水的两种情况下纠缠对保真度为F=0.9946，由此可知海水对纠缠态的态信息几乎没有影响。实验同时进行了纠缠光子对的极化关联曲线的测量和Bell不等式测量。得到的纠缠光子的极化关联曲线，即图4中的（b）与（c），从图中的数据可以计算出当水管充满海水时纠缠光子对比度在H/V下由95.28±0.14% 降至94.15 ± 0.16% （满水管情况下单个符合计数积累时间为120 s），对比度在D/A下由94.99 ± 0.42%降至94.6±0.44%。

图4  海水信道纠缠分发实验装置图与极化关联曲线测量结果

CHSH类型的Bell不等式测量是另一个重要的量子纠缠特性测量工具。在空水管中，测量的S=2.6900±0.00738，通过海水信道分发后的纠缠光子S=2.6695±0.0203，以33个标准偏差破坏了CHSH不等式，以上的3个实验充分证明纠缠光子能够在海水信道保持其量子特性。

该成果以Towards quantum communications in free-space seawater为题发表在Optics Express [25(17), 19795-19806, 2017]上，并被选Editors’ Pick。

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