[论文解读] Transmission of Photonic Polarization States through 55-meter Water: Towards Air-to-sea Quantum Communication

Cheng-Qiu Hu, Zeng‐Quan Yan+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究通过55米长的水下通道，利用蓝绿光成功实现了单光子偏振态的保真传输，过程保真度达0.96，态保真度超过95%。实验验证了基于偏振的水下量子通信的可行性，为未来利用卫星与潜航器实现长距离空海量子通信迈出了关键一步。

ABSTRACT

Quantum communication has been rapidly developed due to its unconditional security and successfully implemented through optical fibers and free-space air in experiment. To build a complete quantum communication network involving satellites in space and submersibles in ocean, underwater quantum channel has been investigated in both theory and experiment. However, the question of whether the polarization encoded qubit can survive through a long-distance and high-loss underwater channel, which is considered as the restricted area for satellite-borne radio waves, still remains. Here, we experimentally demonstrate the transmission of blue-green photonic polarization states through 55-meter-long water. We prepare six universal quantum states at single photon level and observe their faithful transmission in a large marine test platform. We obtain the complete information of the channel by quantum process tomography. The distance demonstrated in this work reaches a region allowing potential real applications, representing a step further towards air-to-sea quantum communication.

研究动机与目标

• 研究利用光子偏振态作为长距离水下量子信道中量子比特的可行性。
• 解决海水中的高损耗与强散射导致的量子态完整性退化问题。
• 通过测量态保真度与过程保真度，验证水下信道在量子密钥分发中的可靠性。
• 为未来利用海水蓝绿光窗口实现空海量子通信奠定基础。
• 在真实环境条件下，于大型海洋测试平台上演示实验可行性。

提出的方法

• 在光源处使用波片和偏振分束器制备六种通用单光子偏振态。
• 在半开放的海洋测试水槽中，通过长55米、深度和尺寸可控的水道传输这些态。
• 通过同时检测透射光子与反射光子，进行量子态层析，以减轻背景噪声波动的影响。
• 利用过程矩阵 χ 进行量子过程层析，表征信道对输入态的影响。
• 使用公式 $ F_s = \text{tr}\sqrt{\sqrt{\rho_{\text{received}}}\rho_{\text{sent}}\sqrt{\rho_{\text{received}}}} $ 计算态保真度，使用公式 $ F_P = \text{tr}\sqrt{\sqrt{\chi_{\text{water}}}\chi_{\text{ideal}}\sqrt{\chi_{\text{water}}}} $ 计算过程保真度。
• 在过程层析中使用基 $ \widetilde{E}_0 = I, \widetilde{E}_1 = X, \widetilde{E}_2 = Y, \widetilde{E}_3 = Z $，以重建信道的操作特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子偏振量子比特在55米水下信道中传输时能否保持高保真度？
• RQ2 海水中的散射与损耗在多大程度上会降低传输过程中的量子态质量？
• RQ3 利用量子过程层析，水下信道的表征精度如何？
• RQ4 海水中的量子过程保真度是否足够高，可支持实际的量子通信？
• RQ5 海水中的蓝绿光窗口是否能够支持与空间系统实现长距离空海量子通信？

主要发现

• 六种通用偏振态的平均态保真度达到0.976，所有个体保真度均超过95%。
• 测量到的水下信道与理想信道之间的过程保真度为0.96，表明信道具有高度可靠性。
• 在不进行背景扣除的情况下，偏振关联的平均可见度为90.7%，个体可见度范围在85.5%至95.2%之间。
• 接收态的平均纯度为0.942，表明传输过程中退相干效应极小。
• 测量得到的过程矩阵与理想单位操作高度相似，证实信道能够有效保持量子信息。
• 结果表明，在衰减更低（如0.018 m⁻¹）的开放海域条件下，可实现超过55米的更长传输距离。