神奇的量子力学将在水下通讯领域发挥重要作用。中国上海交通大学金贤敏团队首次实现纠缠光子在海水中的传输，他们迈出了水下量子通信的第一步，而通过这种方式传递的信息将不可能被第三方截获。
光子是一种很好的量子比特的物理实现，因其能在光纤和大气中传输很长距离却不会受到环境干扰。脉冲激光通过非线性晶体进行相应的相位匹配，产生一对下转换光子。这对具有特殊联系的光子就是纠缠光子源。只要对纠缠光子源中的一个光子做操作，另一个光子会相应发生反应。举例来说，如果测量其中一个光子的极化，另一个光子的极化就会塌缩到与前者相反的极化上。
这些纠缠光子源理论上就可以在通信双方之间建立一条安全通信信道，量子力学的基本法则保证了通信的保密性。但这样的量子态十分脆弱，很容易受到周围环境的影响。目前为止，纠缠光子能够在大气、真空和光纤中远距离传输并保持纠缠特性。而在海水中，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量子通信的好的介质。
蓝绿窗口创造机会
金贤敏团队克服这个困难的方法是利用405纳米波长的光子，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弱。而且，他们利用光子的极化做编码，海水是一种各向同性介质，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。他们的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――任何可能发生退极化的光子都可以通过滤波的方式予以滤除。
金贤敏团队的实验显示，基于405纳米波长光子的量子比特能以高于98%的保真度在3米的海水信道中传输。同时，他们也用810纳米波长的纠缠光子源做了实验。将纠缠光子源中的一个穿过海水，另一个做本地测量。尽管海水对810纳米光子的吸收作用300倍于405纳米波长的光子，但经过3米长的海水信道，仍能以很高的保真度保持其纠缠的特性。
相比中国的量子通信卫星能将纠缠光子从卫星分发到长达1 200公里外的地表，3米的海水通信距离显得不那么令人惊讶。但是金贤敏指出，这仅仅是一个开端。他的团队通过计算，指出海水量子通信距离可能接近900米，而过去计算的通信距离则只有120米左右。
应用于潜艇安全通讯
对此，来自加拿大滑铁卢大学的托马斯·詹宁威（Thomas Jennewein）指出：“虽然有人讨论过相关的概念，但在此之前，从未有人实现过这样的海水量子通信实验。”他同时还补充道：“这个实验很明显的一个应用就是用在潜艇上，它使得一艘潜艇能够在保持潜伏的状态下同时进行安全通讯。”
量子比特和量子纠缠是量子密钥分发（QKD）的重要元素，量子力学基本法则从根本上保证了双方通信的安全性，因此，将QKD技术应用于潜于水下的潜艇是很有可能的。问题在于，即使在405纳米波段，海水对光子的吸收作用仍然非常强烈，要想实现长距离的海水量子通信，则需要大量的光子。
“海水对光有很强的吸收作用，将海水量子通信推进到长距离是很困难的，”密苏里大学哥伦比亚分校的杰弗里·乌尔曼（Jeffrey Uhlmann）说道，“中继器是一种解决方案，但是目前为止离实际应用还是有很长一段距离的。”
资料来源 New Scientist
责任编辑 彦 隐