自由空間量子通信是構(gòu)建全qiu量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵一環(huán)。無論是地面站與衛(wèi)星之間的鏈路，還是跨城市、跨水域的量子密鑰分發(fā)（QKD），都離不開光信號在大氣中的傳輸。

然而，大氣湍流引起的波前畸變會嚴重降低信號耦合效率、引入模式串?dāng)_，從而限制通信距離和安全性。大氣湍流帶來的波前畸變，就像夏日路面上的熱浪一樣，光子在這種“湍流”中穿行，就像星光在夜空中閃爍一樣，波前被扭曲、模式被打亂，光束“搖擺不定”，導(dǎo)致單光子空間模式發(fā)生串?dāng)_、誤碼率飆升，高維編碼的優(yōu)勢被大幅削弱。

[圖1：什么是波前畸變？—— 湍流導(dǎo)致規(guī)則波前變?yōu)榕で砻媸疽鈭D]

圖注：湍流使光的波前從規(guī)則平面變?yōu)榕で砻?，破壞空間模式的正交性，導(dǎo)致高維量子態(tài)串?dāng)_。

近日，來自加拿大的一組研究團隊在《Communications Physics》上發(fā)表了一項突破性成果。他們利用高速、高分辨率自適應(yīng)光學(xué)（AO）系統(tǒng)，首次在中等強度湍流信道中，實現(xiàn)了對高維軌道角動量（OAM）量子態(tài)的實時波前校正。實驗表明，這套AO系統(tǒng)能顯著降低通過湍流空氣運行的QKD系統(tǒng)中的錯誤率。該研究考察了多種基組，包括OAM模態(tài)、相互無偏基(MUB)以及對稱信息完備正算符值測度(SIC-POVM)，以確定減輕湍流影響的優(yōu)選策略。

這套AO系統(tǒng)的核心是一面擁有97個獨立驅(qū)動器的可變形鏡（Alpao DM97-25）。它像一面智能鏡子，可以每秒變形200次（zui高可達600 Hz），精確補償湍流引起的相位畸變。

[圖2：AO系統(tǒng)工作流程示意圖 —— 參考光探測畸變 → 控制計算機 → 可變形鏡校正 → 信號光恢復(fù)]

圖注：高速AO系統(tǒng)工作流程：波前傳感器(wfs)實時感知湍流畸變，控制系統(tǒng)驅(qū)動可變形鏡在毫秒級時間內(nèi)完成校正，信號光束畸變得以補償。

研究團隊通過一系列嚴格的實驗，定量驗證了AO系統(tǒng)的驚人效果。

?耦合效率翻倍以上

在湍流通道中，高斯光束耦合進單模光纖的平均效率從36.6% 提升至 87.1%。這意味著基于偏振或時間bin的QKD，密鑰率有望直接翻倍。

[圖3：效果對比 —— 耦合效率提升：AO off 36.6% vs AO on 87.1%]

圖注：縱坐標為耦合效率提升率

AO開啟后，高斯光束耦合進單模光纖的效率從36.6%躍升至87.1%，密鑰率潛力翻倍。

?高維態(tài)保真度“起死回生”

對于維度 d=2~5 的OAM量子態(tài)，湍流使通道保真度降至45%以下（幾乎隨機化）。
開啟AO后，保真度恢復(fù)至 98%以上，幾乎等同于無湍流環(huán)境。

[圖4：保真度對比 —— 過程層析矩陣：AO off（嚴重串?dāng)_） vs AO on（幾乎完美）

圖注：湍流使通道過程矩陣嚴重“彌散”（左），高維態(tài)幾乎隨機化；AO校正后（右），通道保真度恢復(fù)至98%以上。圖a，d=3，圖b，d=5。

?量子誤碼率平均降低32.5%

在 d=4,6,8,10 的高維QKD實驗中，AO使量子比特誤碼率（QDER）平均下降32.5%。尤其在d=4 和 d=6時，AO成功將QDER壓至安全閾值以下。

[圖5：量子誤碼率（QDER）改善柱狀圖 —— AO off vs AO on，標注安全閾值線]

圖注：在多個維度下，AO系統(tǒng)將量子誤碼率壓至安全閾值以下，使高維QKD在湍流信道中首次實現(xiàn)安全密鑰生成。

有趣的是，該研究中的湍流強度（D/r?=1.70）與之前渥太華河水下量子通信實驗中的湍流強度相當(dāng)。這意味著，這套AO系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用于水下量子信道，為跨水域、近海等復(fù)雜環(huán)境中的高維量子通信提供通用解決方案。

高維編碼是提升量子通信速率、增強抗噪能力的必經(jīng)之路，而大氣湍流長期被視為其“頭號天敵”。這項研究表明，只需在接收端部署一套高速、高分辨率的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，就能有效剝除湍流帶來的畸變，使高維量子態(tài)在真實信道中保持原有的結(jié)構(gòu)保真度。

研究團隊指出，即使在某些ji端湍流條件下AO無法完全恢復(fù)密鑰率，它也可以作為降噪前端，為后續(xù)的實時過程層析、機器學(xué)習(xí)解碼等高ji方法提供干凈的信號基礎(chǔ)。

ALPAO自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（AO系統(tǒng)） 由可變形反射鏡（DM）、Shack-Hartmann波前傳感器（WFS）和實時控制計算機（RTC）三大核心組成。可變形反射鏡（DM）是系統(tǒng)的執(zhí)行單元。通過控制鏡面背后的電磁線圈，使連續(xù)的反射薄膜產(chǎn)生微小形變，從而實時補償波前畸變；波前傳感器（WFS）它通過微透鏡陣列測量波前斜率，從而精確解析出畸變的形狀。而控制軟件與實時計算機 (Real-Time Computer, RTC)則是整個系統(tǒng)的"大腦"，運行ALPAO Core Engine (ACE) 軟件。它接收WFS的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)高速計算后向DM發(fā)出校正指令，形成高速閉環(huán)控制。

昊量光電/星朗浩宇是法國Bertin ALPAO公司在國內(nèi)的代理商，Bertin ALPAO是一家提供自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)解決方案的公司，他在該領(lǐng)域多年耕耘，使得他們在應(yīng)對大氣湍流方面有豐富的經(jīng)驗，可以為每一個用戶提供佳的解決方案。其生產(chǎn)的電磁驅(qū)動的變形鏡有體積小，驅(qū)動多，行程大，響應(yīng)快，重復(fù)性好等特點，是校正大氣湍流的利器。

參考文獻

標題：Fast adaptive optics for high-dimensional quantum communications in turbulent channels

作者：Lukas Scarfe, Felix Hufnagel, Manuel F. Ferrer-Garcia, Alessio D’Errico, Khabat Heshami, Ebrahim Karimi
期刊：Communications Physics, 2025
DOI：10.1038/s42005-025-01986-6

標題：Investigating the Performance of Adaptive Optics on Different Bases of Spatial Modes in Turbulent Channels

作者：Rojan Abolhassani, Lukas Scarfe,Francesco Di Colandrea, Alessio D'Errico, Khabat Heshami, Ebrahim Karimi

期刊：arXiv

DOI：10.48550/arXiv.2508.21015

審核編輯 黃宇