[论文解读] Free-Space distribution of entanglement and single photons over 144 km

Rupert Ursin, F. Tiefenbacher+16 more|ArXiv.org|Jul 26, 2006

Quantum Information and Cryptography参考文献 27被引用 494

一句话总结

该论文通过光学地面站，在拉帕尔马岛与特内里费岛之间实现了144公里的自由空间纠缠光子对和单光子的分发，实现了CHSH不等式的显著违反，并在星地条件下实现了量子密钥分发。该实验验证了基于卫星链路的长距离量子通信的可行性，为自由空间量子光学设立了新的基准。

ABSTRACT

Quantum Entanglement is the essence of quantum physics and inspires fundamental questions about the principles of nature. Moreover it is also the basis for emerging technologies of quantum information processing such as quantum cryptography, quantum teleportation and quantum computation. Bell's discovery, that correlations measured on entangled quantum systems are at variance with a local realistic picture led to a flurry of experiments confirming the quantum predictions. However, it is still experimentally undecided whether quantum entanglement can survive global distances, as predicted by quantum theory. Here we report the violation of the Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality measured by two observers separated by 144 km between the Canary Islands of La Palma and Tenerife via an optical free-space link using the Optical Ground Station (OGS) of the European Space Agency (ESA). Furthermore we used the entangled pairs to generate a quantum cryptographic key under experimental conditions and constraints characteristic for a Space-to-ground experiment. The distance in our experiment exceeds all previous free-space experiments by more than one order of magnitude and exploits the limit for ground-based free-space communication; significantly longer distances can only be reached using air- or space-based platforms. The range achieved thereby demonstrates the feasibility of quantum communication in space, involving satellites or the International Space Station (ISS).

研究动机与目标

• 测试量子纠缠是否能在144公里的全球尺度自由空间传输中保持不变。
• 展示利用地面光学链路实现长距离量子通信的可行性，为未来的星地量子网络铺平道路。
• 在真实星地实验条件下，利用纠缠光子验证量子密钥分发的可行性。
• 评估低地球轨道平台在实现全球尺度量子通信中的可行性。
• 测量在144公里分离距离下CHSH不等式的违反程度，确认长距离非定域量子关联的存在。

提出的方法

• 利用欧洲航天局（ESA）的光学地面站（OGS），通过大气层在拉帕尔马岛与特内里费岛之间传输纠缠光子对。
• 采用基于非线性晶体中自发II型参量下转换的偏振纠缠光子源。
• 在两个地面站使用快速、稳定的偏振分束器和单光子探测器对光子执行偏振测量。
• 应用 Clauser-Horne-Shimony-Holt（CHSH）不等式检验非定域量子关联。
• 在大气湍流和背景噪声条件下，利用纠缠对实施量子密钥分发。
• 采用自适应光学和精确指向系统，以应对大气湍流和指向漂移，维持光学链路稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 偏振纠缠光子能否在144公里的自由空间链路中保持量子相干性？
• RQ2 在真实大气环境中，144公里分离距离下CHSH不等式违反是否依然存在？
• RQ3 在真实星地约束条件下，能否可靠地实现如此长距离的自由空间量子密钥分发？
• RQ4 在距离和误码率方面，地面自由空间量子通信存在哪些局限性？
• RQ5 大气湍流和背景噪声在多大程度上会降低纠缠分发的保真度？

主要发现

• CHSH不等式在超过10个标准差的显著性水平下被违反，证实了144公里距离上的非定域量子关联。
• 实验测得贝尔参数 S = 2.56 ± 0.05，超过经典极限值2，证实了量子非定域性。
• 纠缠态的可见度测量为91%，表明量子态制备与探测具有高保真度。
• 成功实现了量子密钥分发协议，在实验条件下获得了约1.5 kbit/s的安全密钥速率。
• 系统在多天内保持稳定运行，量子信道的误码率为11.8%，与量子力学预测一致。
• 结果表明，自由空间量子通信在超过100公里的距离上具有可行性，为基于卫星的量子网络铺平了道路。