卫星量子通信技术全解读

近日，中国科学技术大学的潘建伟团队在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。
近日，中国科学技术大学的潘建伟团队利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态,实现了太阳光背景下的自由空间量子密钥分发，为未来覆盖全球的量子卫星网络“量子星座”奠定了可靠的技术基础。两项成果于北京时间8月10日凌晨1点同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。至此，“墨子号”量子卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标。
随着“墨子号”量子科学实验卫星的成功发射和运行，量子通信技术已经进入到了卫星时代。

一.卫星量子通信的特点：
量子通信通常采用单光子作为物理载体，单光子是光的最小能量单元，对其而言，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加。由于量子不可克隆原理，单光子量子信息不能像经典通信那样被放大，这使得之前量子通信的世界纪录为百公里量级。根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。

由于单光子对背景光极其敏感，墨子号采取了只在夜间工作的模式，以避开白天强太阳光背景的干扰，然而为了能够建立覆盖全球的卫星量子通信网络，必须研制高轨量子通信卫星。单颗高轨卫星能够同时覆盖整个国土，过站时间可以达到几个小时。由若干颗高轨卫星和地轨卫星组成一个“量子星座”，才可以全天24小时覆盖整个地球。但是“量子星座”就必须再次面对第一个问题，即太阳光背景。如图1所示，越高轨的卫星在太阳光范围内的比例越高，即在地影区（黑夜）的比例越小。表1给出了低轨卫星、中轨卫星、高轨卫星各自在地影区的比例。对地球同步轨道来说，只有0.57%的概率会在地影区。因此我们要求“量子星座”必需能够在太阳光背景下工作，即尽可能地排除太阳光对探测端的影响。为了解决这个问题，我们首先要改变量子通信使用的光子的波长。传统自由空间量子通信（包括墨子号）使用的光子波长集中在800nm附近。如果我们选取1550nm，这个波长太阳光的辐射强度只有800nm的1/3左右；根据瑞利散射定律的波长四次方反比关系，1550nm光子的大气散射只有800nm光子的7%；同时1550nm作为光通信波长，可以和地面的量子通信网络自然对接。总的下来，太阳光在1550nm产生的背景噪声约只有800nm的3%，通过单模光纤接收技术还可以进一步降低太阳光背景噪声。

但1550nm带来了另一个技术问题，就是光子的探测效率。常用的半导体单光子探测器在800nm附近效率很高，但是到了1550nm效率急剧下降，无法使用。于是我们发展了一套“上转换探测器”技术，即首先利用晶体对光子的频率上转换效益，将需要探测的1550nm波长光子以很高的效率转换为800nm附近波长的光子，再用半导体单光子探测器来探测，从而解决对1550nm光子的探测问题。
潘建伟团队通过以上1550nm光子源、太阳光背景下单光子接收、单光子上转换探测器三大技术突破，在国际上首次实现了太阳光背景下的自由空间量子密钥分发。通信距离横跨青海湖，达到53km，高于大气层的垂直厚度。信道衰减也模拟了高轨卫星到地面的衰减（48dB）。因此这个实验全方位验证了利用高轨卫星在太阳光背景下进行星地量子通信的可行性。
值得一提的是，该青海湖实验基地也曾为“墨子号”量子科学实验卫星做过全方位的地面验证。综上，我们有理由认为这个在青海湖的白天量子通信实验是走向太阳光背景下卫星量子通信的第一步，也将为未来覆盖全球的量子通信卫星网络——“量子星座”提供可靠的技术基础。
利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。从本世纪初以来，该方向已成为了国际学术界激烈角逐的焦点。

二.卫星量子通信的实验:

潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年，潘建伟团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案，随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发，验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。

三.卫星量子通信的研究内容:

量子通信的研究内容之一是量子密钥分发。通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。
量子力学拥有着另一个怪现象：测量叠加态的结果完全拼概率。这种现象被玻尔称为“上帝掷骰子”。与传统通讯不同，量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。
量子通信的另一重要内容是量子隐形传态，它利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身。远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。

四.卫星量子通信的科学目标:

星地高速量子密钥分发是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收的方式，“墨子号”量子卫星过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1 kbps。
这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。
此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网（如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线）互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。
为此，《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是“令人钦佩的成就”（“an impressive achievement”）和“本领域的一个里程碑”（“it constitutes a milestone in the field”），并断言“毫无疑问将引起量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣，并导致公众媒体极为广泛的报道”（“I have no doubt that it will attract the interest of scientists working in a variety of fields (including quantum information science and space science), the general public, and lead to very extensive media coverage”）。
地星量子隐形传态是“墨子号”量子卫星的另一个科学目标。量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式， “墨子号”量子卫星过境时，与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年（宇宙年龄的20倍）才能观测到1个事例。这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。
《自然》杂志审稿人称赞“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”（“These results represent an important breakthrough in the quest for quantum communications over long distances”）, “这个目标非常新颖并极具挑战性，它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”（“This goal is very challenging and new, and it represent a significant advancement of the realization of quantum communications schemes.”）。
文章的预印本在学术网站arXiv.org上公开后就受到国际科学媒体广泛关注，比如，自然新闻（Nature news）以“Quantum teleportation is even weirder than you think（量子隐形传态超乎想象的神秘）”为题进行了报道，BBC新闻分别以“First object teleported to Earth’s orbit”和“Teleportation: Photon particles today, humans tomorrow?”为题进行了连续报道，英国《卫报》也以“Beam me up, Scotty! Scientists teleport photons into space”为题进行了相关报道，等等。
“墨子号”量子卫星全部三大既定科学目标的成功实现，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。