自由空间量子密钥分发（QKD）是实现远距离和星地量子通信的关键技术，当量子信息穿过大气湍流，波前畸变如同“哈哈镜”般扭曲光的结构，高维量子态变得难以辨认。如今，研究人员用一面每秒变形200次的镜子(ALPAO高速自适应光学系统)，将信道保真度从不足50%拉回98%以上(提升近100%)——自由空间高维量子密钥分发终于迈过湍流这道坎。
让光子不再“迷失”于大气扰动：高速自适应光学系统开启自由空间量子通信新篇章
自由空间量子通信是构建全qiu量子网络的关键一环。无论是地面站与卫星之间的链路，还是跨城市、跨水域的量子密钥分发（QKD），都离不开光信号在大气中的传输。
然而，大气湍流引起的波前畸变会严重降低信号耦合效率、引入模式串扰，从而限制通信距离和安全性。大气湍流带来的波前畸变，就像夏日路面上的热浪一样，光子在这种“湍流”中穿行，就像星光在夜空中闪烁一样，波前被扭曲、模式被打乱，光束“摇摆不定”，导致单光子空间模式发生串扰、误码率飙升，高维编码的优势被大幅削弱。
[图1：什么是波前畸变？—— 湍流导致规则波前变为扭曲表面示意图]
图注：湍流使光的波前从规则平面变为扭曲表面，破坏空间模式的正交性，导致高维量子态串扰。
近日，来自加拿大的一组研究团队在《Communications Physics》上发表了一项突破性成果。他们利用高速、高分辨率自适应光学（AO）系统，首次在中等强度湍流信道中，实现了对高维轨道角动量（OAM）量子态的实时波前校正。实验表明，这套AO系统能显著降低通过湍流空气运行的QKD系统中的错误率。该研究考察了多种基组，包括OAM模态、相互无偏基(MUB)以及对称信息完备正算符值测度(SIC-POVM)，以确定减轻湍流影响的优选策略。
这套AO系统的核心是一面拥有 97个独立驱动器 的可变形镜（Alpao DM97-25）。它像一面智能镜子，可以每秒变形200次（zui高可达600 Hz），精确补偿湍流引起的相位畸变。
[图2：AO系统工作流程示意图 —— 参考光探测畸变 → 控制计算机 → 可变形镜校正 → 信号光恢复]
图注：高速AO系统工作流程：波前传感器(wfs)实时感知湍流畸变，控制系统驱动可变形镜在毫秒级时间内完成校正，信号光束畸变得以补偿。
研究团队通过一系列严格的实验，定量验证了AO系统的惊人效果。
✅ 耦合效率翻倍以上
在湍流通道中，高斯光束耦合进单模光纤的平均效率从 36.6% 提升至 87.1%。这意味着基于偏振或时间bin的QKD，密钥率有望直接翻倍。
[图3：效果对比 —— 耦合效率提升：AO off 36.6% vs AO on 87.1%]
图注：纵坐标为耦合效率提升率
AO开启后，高斯光束耦合进单模光纤的效率从36.6%跃升至87.1%，密钥率潜力翻倍。
✅ 高维态保真度“起死回生”
对于维度 d=2~5 的OAM量子态，湍流使通道保真度降至 45%以下（几乎随机化）。
开启AO后，保真度恢复至 98%以上，几乎等同于无湍流环境。
[图4：保真度对比 —— 过程层析矩阵：AO off（严重串扰） vs AO on（几乎完美）
图注：湍流使通道过程矩阵严重“弥散”（左），高维态几乎随机化；AO校正后（右），通道保真度恢复至98%以上。图a，d=3，图b，d=5。
✅ 量子误码率平均降低32.5%
在 d=4,6,8,10 的高维QKD实验中，AO使量子比特误码率（QDER）平均下降 32.5%。尤其在 d=4 和 d=6 时，AO成功将QDER压至安全阈值以下。
[图5：量子误码率（QDER）改善柱状图 —— AO off vs AO on，标注安全阈值线]
图注：在多个维度下，AO系统将量子误码率压至安全阈值以下，使高维QKD在湍流信道中首次实现安全密钥生成。
有趣的是，该研究中的湍流强度（D/r₀=1.70）与之前渥太华河水下量子通信实验中的湍流强度相当。这意味着，这套AO系统同样可以应用于水下量子信道，为跨水域、近海等复杂环境中的高维量子通信提供通用解决方案。
高维编码是提升量子通信速率、增强抗噪能力的必经之路，而大气湍流长期被视为其“头号天敌”。这项研究表明，只需在接收端部署一套高速、高分辨率的自适应光学系统，就能有效剥除湍流带来的畸变，使高维量子态在真实信道中保持原有的结构保真度。
研究团队指出，即使在某些ji端湍流条件下AO无法完全恢复密钥率，它也可以作为降噪前端，为后续的实时过程层析、机器学习解码等高ji方法提供干净的信号基础。
ALPAO自适应光学系统（AO系统） 由可变形反射镜（DM）、Shack-Hartmann波前传感器（WFS）和实时控制计算机（RTC）三大核心组成。可变形反射镜（DM）是系统的执行单元。通过控制镜面背后的电磁线圈，使连续的反射薄膜产生微小形变，从而实时补偿波前畸变；波前传感器（WFS）它通过微透镜阵列测量波前斜率，从而精确解析出畸变的形状。而控制软件与实时计算机 (Real-Time Computer, RTC)则是整个系统的"大脑"，运行ALPAO Core Engine (ACE) 软件。它接收WFS的测量数据，经高速计算后向DM发出校正指令，形成高速闭环控制。
昊量光电/星朗浩宇是法国Bertin ALPAO公司在国内的代理商，Bertin ALPAO是一家提供自适应光学系统解决方案的公司，他在该领域多年耕耘，使得他们在应对大气湍流方面有丰富的经验，可以为每一个用户提供佳的解决方案。其生产的电磁驱动的变形镜有体积小，驱动多，行程大，响应快，重复性好等特点，是校正大气湍流的利器。
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https://www.auniontech.com/three-level-42.html
参考文献
标题：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
标题：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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