面向空间平台的小型化量子纠缠源.docx

摘要

随着量子信息科学的迅速发展,以光子为物理载体的量子纠缠源已成为量子非定域性检验、

量子通信、量子计算以及量子精密测量等领域必不可少的资源和重要技术手段。利用非线

性介质中的自发参量下转换过程,从早期的 β 相偏硼酸钡晶体到后来的基于准相位匹配的周

期性极化晶体等,双光子极化纠缠源凭借其在亮度和品质方面的优势得到了快速发展,这为

基于卫星平台的广域量子通信和量子物理的基础检验提供了可能。从基本原理出发,系统介

绍了近年来面向空间平台应用的量子纠缠源的发展和最新成果,特别是以“墨子号”量子科学

实验卫星为代表的星载量子纠缠源载荷;此外,对国际上近几年关于星载量子纠缠源的进展

以及未来发展趋势也进行了较为全面的介绍和分析。

From the early bulk crystal of β-barium borate to the later periodically poled crystal based

on quasi-phase-matching, the brightness of the entanglement source has been

increased, providing the possibility of large-scale quantum communication and

fundamental test of quantum physics with satellites. Here we systematically introduce the

development and latest achievements of quantum entangled-photon sources for space

platform application in recent years, especially the spaceborne entangled-photon source

represented by the Micius quantum science satellite. In addition, the international

progress and future trend of satellite-based quantum entanglement source in recent

years are also introduced and analyzed.

1 引言

[3]

从 20 世纪 70 年代起,Freedman 等

[4-6]

在实验上进行了贝尔不等式检验,结果与量子论的预

言完全符合。随后的几十年,大量的实验都证实了量子力学关于贝尔不等式的预言,但这些

实验都或多或少地存在一些漏洞。随着实验技术的进步,这些漏洞可以分别在各自实验中关

闭,如定域性漏洞

[7-9]

关闭定域性漏洞和公平采样漏洞

,甚至使用人的自由意志选择测量事件

[20-21]

等方法来解

决问题。虽然人们依然无法对这一争论进行最终判定,但在此过程中所发展的量子相干操纵

作为量子信息领域最先走向实用化和产业化的量子信息技术,量子密钥分发技术利用量子态

来加载信息,通过一定的协议使在遥远地点的通信双方共享密钥。量子力学的基本原理保证

了密钥不可被窃听,从而可在原理上实现无条件安全的量子保密通信。量子通信通常采用单

光子作为物理载体,最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道来传输,但是这两

种信道的损耗都随着距离的增加而呈指数增加。单光子量子信息因基于量子不可克隆原理,

所以其不能像经典通信那样被放大,这使得之前量子通信的世界纪录为 100 km 量级。通过

号”量子科学实验卫星实现了 1000 km 级基于纠缠的无中继量子密钥分发

[28]

,将以往地面无

中继量子密钥分发的空间距离提高一个数量级;联合“墨子号”量子卫星和“京沪干线”光纤量

子通信网实现了跨越 4600 km 的天地一体化量子通信网络

[52]

。

综上,如何实现安全、长距离以及可实用化的量子通信是该领域的最大挑战,同时实现更远

距离的纠缠分发可以在更大空间尺度上检验量子力学非定域性,以及探索量子力学与广义相

量子纠缠源较为成熟的技术是利用非线性晶体的自发参量下转换来产生纠缠光子对。在某

些非中心对称的晶体中,一个高能量的光子可以通过二阶非线性效应自发地转换为两个能量

较低的光子,这个过程需要满足能量守恒与相位匹配条件。自 1995 年美国的 Kwiat 等

涉环结合,实现了纠缠源的亮度为 8.2×10

4

pair/(s·mW)。中国科学技术大学的研究团队基于

II 型 PPKTP 晶体和 Sagnac 环设计并研制了国际上首个星载量子纠缠源,建立了一套高精

度的光机集成系统并进行了一系列空间环境模拟试验,于 2016 年 8 月随“墨子号”量子科学

实验卫星成功入轨,源的亮度达到 5.9 MHz,基于该星载量子纠缠源完成了多个星地量子科学

实验

[15,25,28]

。随后,该团队又发展了基于 0 型 PPKTP 晶体的量子纠缠源,将源的亮度进一步

目前,面向空间平台的小型化量子纠缠源的研究已成为量子信息技术研究领域的热点之一,

故有必要对目前国内外该方向的发展现状进行梳理,并对未来的发展趋势进行展望。本文从

自发参量下转换的基本原理出发,重点介绍以“墨子号”量子科学实验卫星为代表的星载量子

纠缠源的研制历程及其在轨运行性能,并对国际上相关量子卫星计划中星载量子纠缠源的进

展和最新成果进行介绍,如表 1 所示。最后,对该领域未来发展的新技术和新方向进行展

望。

式中:ε

0

为真空介电常数;χ

为线性磁化率;χ

(2)

E

分别为参与作用的三个光电场强度。χ

(2)

使三个电磁场在非中心对称的晶体中相互

作用,导致场之间的能量发生转移,一个高能量的光子可以通过二阶非线性效应自发地转换

为两个能量较低的光子,即一个频率为 ω

p

s

的信号光子和频率

ω

。