中國科學技術大學微尺度物質(zhì)科學國家實驗室潘建偉院士及其同事彭承志等，與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成的協(xié)同創(chuàng)新團隊，在國際上首次成功實現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)的全方位的地面驗證，為未來實現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡奠定了堅實的技術基礎。

該研究成果于5月1日以長文形式發(fā)表在國際權威學術期刊《自然·光子學》雜志上（Nature Photonics 7, 387–393 (2013)）。這是中科院量子科技先導專項繼去年實驗實現(xiàn)拓撲量子糾錯和百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)后取得的又一階段性重要突破，同時也是量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的最新重要成果。

量子密鑰分發(fā)是最先有望實用化的量子信息技術，其物理原理保證的無條件安全性使科學家們一直致力于全球化量子密鑰分發(fā)的研究。要實現(xiàn)全球量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，人們需要突破距離的限制。目前，由于光纖損耗和探測器的不完美性等因素的限制，以光纖為信道的量子密鑰分發(fā)的距離已基本到達極限。而由于地球曲率和遠距可視等條件的限制，地面間自由空間的量子密鑰分發(fā)也很難實現(xiàn)更遠的距離。因此要實現(xiàn)更遠距離的甚至是全球任意兩點的量子密鑰分發(fā)，基于低軌道衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)成為最有潛力和可行性的方案。理論分析表明，對于低軌衛(wèi)星平臺方案，大氣層的傳輸損耗、量子信道效率、背景噪音等問題都是需要克服的重要問題。尤其是低軌衛(wèi)星和地面站始終處于高速相對運動之中，如何在有角速度、角加速度、隨機振動等情況下建立起高效穩(wěn)定的量子信道，保持信道效率以及降低量子密鑰誤碼率，是基于低軌道衛(wèi)星平臺實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)面臨的關鍵性問題。

為了克服星地量子密鑰分發(fā)的上述困難，中科院協(xié)同創(chuàng)新團隊在中國科大上海研究院、中科院上海技物所和光電技術研究所進行了多年的合作技術攻關，自主研制了高速誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)光源和輕便的收發(fā)整機，自主發(fā)展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰減鏈路下的高信噪比及低誤碼率單光子探測等關鍵技術。在此基礎上，協(xié)同創(chuàng)新團隊利用旋轉(zhuǎn)平臺來模擬低軌道衛(wèi)星的角速度和角加速度，利用熱氣球來模擬隨機振動和衛(wèi)星姿態(tài)，利用百公里地面自由空間信道來模擬星地之間高衰減鏈路信道，從而成功地驗證了星地之間安全量子信道的可行性。

上述研究為我國通過發(fā)射量子科學實驗衛(wèi)星實現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡，和在大尺度量子理論基礎檢驗，以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論奠定了必要的技術基礎。由于量子密鑰分發(fā)實用化應用基礎研究的重要性，同期的《自然·光子學》還分別報道了德國慕尼黑大學研究小組關于飛機與地面的量子密鑰分發(fā)，以及法國國家科研中心聯(lián)合團隊關于連續(xù)變量的遠距離量子密鑰分發(fā)的重要實驗成果。