讓光子不再“迷失"于大氣擾動：高速自適應光學系統開啟自由空間量子通信新篇章

自由空間量子通信是構建全qiu量子網絡的關鍵一環。無論是地面站與衛星之間的鏈路，還是跨城市、跨水域的量子密鑰分發（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、引入模式串擾，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"，導致單光子空間模式發生串擾、誤碼率飆升，高維編碼的優勢被大幅削弱。

[圖1：什么是波前畸變？—— 湍流導致規則波前變為扭曲表面示意圖]

圖注：湍流使光的波前從規則平面變為扭曲表面，破壞空間模式的正交性，導致高維量子態串擾。

近日，來自加拿大的一組研究團隊在《Communications Physics》上發表了一項突破性成果。他們利用高速、高分辨率自適應光學（AO）系統，首 ci在中等強度湍流信道中，實現了對高維軌道角動量（OAM）量子態的實時波前校正。實驗表明，這套AO系統能顯著降低通過湍流空氣運行的QKD系統中的錯誤率。該研究考察了多種基組，包括OAM模態、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選策略。

這套AO系統的核心是一面擁有 97個獨立驅動器 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]

圖注：高速AO系統工作流程：波前傳感器(wfs)實時感知湍流畸變，控制系統驅動可變形鏡在毫秒級時間內完成校正，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。

? 高維態保真度

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

[圖4：保真度對比 —— 過程層析矩陣：AO off（嚴重串擾） vs AO on

圖注：湍流使通道過程矩陣嚴重“彌散"（左），高維態幾乎隨機化；AO校正后（右），通道保真度恢復至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系統將量子誤碼率壓至安全閾值以下，使高維QKD在湍流信道中實現安全密鑰生成。

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。這意味著，這套AO系統同樣可以應用于水下量子信道，為跨水域、近海等復雜環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、高分辨率的自適應光學系統，就能有效剝除湍流帶來的畸變，使高維量子態在真實信道中保持原有的結構保真度。

研究團隊指出，即使在某些ji端湍流條件下AO無法wan 全恢復密鑰率，它也可以作為降噪前端，為后續的實時過程層析、機器學習解碼等高ji方法提供干凈的信號基礎。

ALPAO自適應光學系統（AO系統） 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?？勺冃畏瓷溏R（DM）是系統的執行單元。通過控制鏡面背后的電磁線圈，使連續的反射薄膜產生微小形變，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)則是整個系統的"大腦"，運行ALPAO Core Engine (ACE) 軟件。它接收WFS的測量數據，經高速計算后向DM發出校正指令，形成高速閉環控制。

昊量光電/星朗浩宇是法國Bertin ALPAO公司在國內的代理商，Bertin ALPAO是一家提供自適應光學系統解決方案的公司，他在該領域多年耕耘，使得他們在應對大氣湍流方面有豐富的經驗，可以為每一個用戶提供佳的解決方案。其生產的電磁驅動的變形鏡有體積小，驅動多，行程大，響應快，重復性好等特點，是校正大氣湍流的利器。

高速自適應光學 AO 系統標準樣機現已開啟試用，26年12月1日前下單立享 95 折優惠。

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

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