第400章 第二道坎（1 / 2）



1996年2月。

春节刚过，材料所的院子里还残留着鞭炮的碎屑。林远站在实验室的窗前，手里拿着一个光纤接头，看着窗外的雪发呆。

量子态编码的问题，比他想象的要难得多。

所谓量子态编码，就是把信息加载到光子的量子态上。在量子通信里，最常用的编码方式是偏振编码——用光子的偏振方向代表0和1。水平偏振是0，垂直偏振是1，或者左旋圆偏振是0，右旋圆偏振是1。原理很简单，但实现起来，每一个细节都是坑。

第一个坑：怎么保证光子的偏振态在光纤传输中不发生变化？

“普通光纤不是保偏的。”周明站在光学平台旁边，手里拿着一根光纤跳线，“光子在光纤里传输的时候，由于光纤的应力、温度变化、弯曲，偏振态会随机变化。你发射的时候是水平偏振，到接收端可能就变成了椭圆偏振，根本没法解码。”

“那就用保偏光纤。”林远说。

“保偏光纤可以，但有两个问题。第一，保偏光纤比普通光纤贵十倍以上。第二，长距离的保偏光纤国内做不了，只能进口。而且——”周明顿了一下，“就算是保偏光纤，也只能在一定程度上抑制偏振变化，不能完全消除。温度变化大了，照样漂移。”

林远沉默了。他想起秦念说的那句话——每一个问题都是一座山。

“那别人是怎么做的？”他问。

“国外实验室的做法是：用保偏光纤，加上主动偏振控制。在接收端做一个反馈系统，实时监测偏振态的变化，然后用一个偏振控制器把它矫正回来。”

“主动偏振控制……这个东西，国内有人做吗？”

周明摇了摇头：“据我所知，没有。整套系统需要高速反馈电路、精密的偏振控制器、还有算法。任何一个环节都是硬骨头。”

林远在笔记本上写下了“主动偏振控制”几个字，然后在下面画了一条横线。

第二个坑：怎么产生和测量任意偏振态的光子？

量子通信的编码不是简单的固定偏振，而是要在不同的基矢之间随机选择。比如说，有时候用水平/垂直基矢，有时候用45度/135度基矢。发射端要能随机选择基矢，接收端也要能随机选择测量基矢。只有当收发双方的基矢一致时，才能得到正确的测量结果。

“这就是量子密钥分发的基本原理。”林远对王磊说，“如果窃听者不知道基矢的选择，他就无法正确测量光子的偏振态，而且他的测量行为会改变光子的状态，从而被我们发现。”

王磊挠了挠头：“道理我懂。但怎么实现呢？”

“用偏振调制器。通过电压控制，高速地改变光子的偏振态。发射端用一组调制器来实现随机基矢编码，接收端用另一组调制器来实现随机基矢测量。”

“高速？多高的速度？”

“至少兆赫兹级别。也就是说，每秒要能调制一百万个光子。”

王磊倒吸了一口冷气：“一百万次每秒？我们的单光子源每秒才产生几十个光子……”

“所以这是两个层面的问题。”林远说，“单光子源的重复频率要提上去，调制器的速度也要跟得上。这两件事要同时做。”

他在笔记本上又写下了“高速偏振调制”和“单光子源重复频率”。

第三个坑：怎么同步？

在量子通信系统里，发射端和接收端之间的距离可能是几十公里甚至几百公里。发射端发出一个光子，这个光子需要时间才能到达接收端。接收端必须知道这个光子什么时候到达，才能在那个精确的时间点进行测量。否则，就会错过信号，或者引入大量噪声。

“同步问题，在经典通信里很好解决。”张海洋说，“用GP