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第400章 第二道坎（第1页）

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GPS信号，或者用专门的同步信道。但在量子通信里，同步信道本身也可能成为窃听的目标。而且，单光子级别的同步精度要求非常高——纳秒级别。”

“纳秒？”王磊瞪大了眼睛，“光在光纤里一纳秒才走二十厘米。这么高的精度，怎么保证？”

“用符合测量。”林远说，“发射端和接收端各自记录下每个光子的发射时间和探测时间，然后通过经典信道把时间戳交换过来，找出时间上符合的事件。那些不符合的，就是噪声。”

“但这样一来，实时性就没了。”张海洋说，“你得等经典信道的数据传过来之后，才能知道哪些光子是有效的。这不就变成离线处理了吗？”

林远沉默了一会儿，然后说：“确实。真正的量子通信系统，要求实时同步。不能用事后符合。这就意味着，我们需要一个高精度的、抗干扰的、不依赖经典通信的同步方案。”

他在笔记本上写下了“实时同步”三个字，然后在后面打了一个大大的问号。

那天晚上，林远坐在实验室里，看着笔记本上密密麻麻的问题，感觉自己的脑袋要炸了。

偏振态变化、主动控制、高速调制、单光子源重复频率、实时同步——每一个问题都足够一个博士做三年。而他要在几个月之内全部解决。

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他忽然有一种冲动，想把这些东西都推到一边，出去走走。但他没有动。他坐在那里，盯着笔记本，脑子里翻来覆去地想。

然后他想起了一件事。

评审会那天，秦念在他走出办公室的时候说的那句话——“脑子不清楚的时候，什么问题都解决不了。”

他闭上眼睛，深呼吸了几次。然后他重新睁开眼睛，拿起笔，在一张新的白纸上写下了一个标题：

“量子态编码——问题拆解”

他把所有的问题按照“器件层面”和“系统层面”分成两类。

器件层面：偏振调制器、保偏光纤、高速单光子源、同步电路。

系统层面：主动偏振控制算法、随机基矢生成与同步协议、系统集成与测试。

写完之后，他盯着这张纸看了很久。然后他发现了一件事——器件层面的问题，每一个都需要跟不同的专业方向合作。偏振调制器要找搞电光晶体的单位，保偏光纤要找搞特种光纤的单位，高速单光子源要跟半导体所和物理所一起继续攻关，同步电路要找搞高速数字电路的单位。

而系统层面的问题，只能他自己来解决。

因为他最清楚整个系统要怎么工作。

他拿起电话，拨了一个号码。响了好几声才有人接。

“喂？”对面是一个沙哑的声音，带着浓重的睡意。

“方老师，不好意思这么晚打扰您。我是林远。”

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