全球量子通信有望补上重要板块——占地球表面积约70%的海洋。日前，上海交通大学金贤敏课题组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。
该成果以“迈向自由空间海水中的量子通信”为题，发表在本月出版的国际权威学术期刊《光学快报》，并被选为编辑推荐成果。英国《新科学家》《每日邮报》等都以“全球首个水下量子纠缠将导致不可破译通信技术”为题作了报道，国际科学广播类网站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成果。
海洋是全球量子通信的重要版图，到目前为止，科学家已经通过实验证明量子纠缠可以在大气空间或光纤中传播。但是否能在海水中传播，此前美、英两国相关研究却一直止步于验证实验。
2014年回国的金贤敏带领团队采集海水样本，研究了光子在不同盐度海水中的折射度并选择合适光谱，最终将光子的极化作为信息编码的载体进行实验。实验取得了两个主要结果：一是证明海水并非绝对的屏障或墙，量子纠缠可以穿透海水实现保密通信；二是重现了量子穿过海水过程的矩阵模型。
首次海水量子实验所用器材是一根3.3米的管道，尽管这个距离相较于实际应用来说还远远不够，但在专家眼中，这“第一步”迈得相当不错。要知道第一个大气中的量子通信实验距离仅30厘米。
相比基于光纤和大气空间信道的量子通信，将海水作为量子通信信道的难度更高。“海水盐度对光的折射率有影响，需要更精确地计算接收角度，而且许多理论研究都担心海水中的微生物和悬浮颗粒会导致光子在传播路径上遭遇散射，从而使量子通信无法进行。”金贤敏说。
在发表文章的附录中，金贤敏课题组给出了实验的意外收获——可将微生物或悬浮颗粒等造成的散射都归于海水损耗，海水的耗量虽然很大，但光子只会丢失，不会发生量子比特翻转。“就是有一队光子要从A点走到B点，尽管一路上走丢了很多光子，但那些能走到B点的光子，就是较少受到散射干扰的，并没有变成别的光子。靠这些走到B点的光子，仍然可以建立安全密钥。”金贤敏说。
他也坦言，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，但是前景可期。
来源：中国科学院
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