利用自适应光学改善自由空间连续变量量子密钥分发

通过稀薄空气保护数据安全

我们今天大部分安全在线通信依赖的是脆弱的数学难题，强大的未来计算机可能会破解这些难题。量子密钥分发提出了另一条路径：它利用物理定律来共享加密密钥。这项研究探讨了如何将此类量子密钥通过开放空间——在建筑物之间或到卫星——传输，在那里闪烁的湍流空气通常会扰乱脆弱的光信号。研究人员表明，一种借自天文学的技术，称为自适应光学，可以驯服这种湍流，使这些量子链路更加可靠。

为什么湍流对量子光是个问题

通过地面光纤发送量子信息已经相当成熟，但将其带入自由空间——穿过大气——要困难得多。当激光束穿过冷暖交替的气团时，其波前会被扭曲。光束会偏移，亮度会闪烁，形状会变得不均匀。对于在光波的微小变化中编码信息的连续变量量子密钥分发，这些畸变会降低入射量子信号与接收端参考光束之间的匹配度。这个匹配度称为干涉能见度，它至关重要：当能见度下降时，系统表现得好像额外的损耗和噪声进入了链路，安全密钥的生成速率会下降甚至变为零。

借用大望远镜的一个技巧

为了解决这个问题，团队转向了自适应光学——一种用于大型望远镜以纠正大气导致的成像模糊的技术。在他们的实验中，一束在电信波长的连续波激光被分为信号光束和一束强参考光，称为本地振荡器。信号从光纤出发，穿过60厘米或30米的一段空气，并用热风枪故意制造受控湍流。在接收端，部分入射光照在波前传感器上，该传感器测量光束在许多小区域上的形状扭曲。这些测量驱动一个可变形镜，其表面可以实时弯曲，重塑光束，使其在校正后更接近平静、未扰动的参考光束。

衡量校正的效果

研究人员通过追踪波前传感器上光斑随时间的漂移来量化湍流，并通过信号与本地振荡器之间的干涉测量能见度。他们还记录了大量测量的统计分布，以观察系统的稳定性。在短（60 cm）和较长（30 m）两段空气路径中，当没有使用自适应光学时，一旦启用热风枪，能见度都会急剧下降。当自适应光学环闭合时，大部分丧失的能见度得以恢复，而且能见度的波动明显减小。在30米链路的一些更恶劣条件下，只有在自适应光学工作时才能保持系统的相位锁定——因此可用性得到保证——这突显了其稳定作用。

对安全密钥速率和噪声的影响

利用他们的能见度数据和连续变量量子密钥分发的标准公式，作者计算了可实现的秘密密钥速率会如何变化。他们发现，能见度的提高直接转化为两种常见探测方案（同相检测和异相检测）更高且更稳定为正的密钥速率。实际上，自适应光学使得湍流信道表现得更像一个干净、低损耗的连接。然而，这里存在权衡：可变形镜的持续校正会引入少量额外噪声，尤其在其在强湍流下需要更努力工作时。对于实际的完整系统，这些额外噪声必须被仔细考虑，但分析表明，在研究的那些工况下，能见度和稳定性的提升抵消了所增加的噪声。

这对未来量子网络的意义

对于非专业读者，结论是作者展示了一种使通过空气的量子加密链路更稳健的实用方法。通过实时主动地重塑入射光，自适应光学可以抵消湍流造成的闪烁效应，使量子设备更可靠地共享秘密密钥并减少中断。虽然还需要进一步的工程工作以将此方法整合到可投入实地使用的完整系统中并管理所有噪声源，但这项工作表明，为了获得更清晰星空而开发的工具，也可能是构建安全全球量子通信网络的关键。

引用: Sayat, M.T., Birch, M., Copeland, M. et al. Improving free-space continuous variable quantum key distribution with adaptive optics. Sci Rep 16, 6160 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36805-7

关键词: 量子密钥分发, 自由空间光学, 自适应光学, 大气湍流, 量子通信