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衛(wèi)星量子通信技術(shù)全解讀

來源： 長沙超創(chuàng)電子科技有限公司 日期：2017-08-11 16:25:17 點(diǎn)擊：2603 屬于：行業(yè)動(dòng)態(tài)

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊(duì)在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài),實(shí)現(xiàn)了太陽光背景下的自由空間量子密鑰分發(fā)，為未來覆蓋全球的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)“量子星座”奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。兩項(xiàng)成果于北京時(shí)間8月10日凌晨1點(diǎn)同時(shí)在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。至此，“墨子號”量子衛(wèi)星提前并圓滿實(shí)現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)。
隨著“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射和運(yùn)行，量子通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到了衛(wèi)星時(shí)代。

一.衛(wèi)星量子通信的特點(diǎn)：

量子通信通常采用單光子作為物理載體，單光子是光的最小能量單元，對其而言，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，單光子量子信息不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄為百公里量級。根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也需要數(shù)百萬年才能建立一個(gè)比特的密鑰。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標(biāo)。

由于單光子對背景光極其敏感，墨子號采取了只在夜間工作的模式，以避開白天強(qiáng)太陽光背景的干擾，然而為了能夠建立覆蓋全球的衛(wèi)星量子通信網(wǎng)絡(luò)，必須研制高軌量子通信衛(wèi)星。單顆高軌衛(wèi)星能夠同時(shí)覆蓋整個(gè)國土，過站時(shí)間可以達(dá)到幾個(gè)小時(shí)。由若干顆高軌衛(wèi)星和地軌衛(wèi)星組成一個(gè)“量子星座”，才可以全天24小時(shí)覆蓋整個(gè)地球。但是“量子星座”就必須再次面對第一個(gè)問題，即太陽光背景。如圖1所示，越高軌的衛(wèi)星在太陽光范圍內(nèi)的比例越高，即在地影區(qū)（黑夜）的比例越小。表1給出了低軌衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星、高軌衛(wèi)星各自在地影區(qū)的比例。對地球同步軌道來說，只有0.57%的概率會(huì)在地影區(qū)。因此我們要求“量子星座”必需能夠在太陽光背景下工作，即盡可能地排除太陽光對探測端的影響。為了解決這個(gè)問題，我們首先要改變量子通信使用的光子的波長。傳統(tǒng)自由空間量子通信（包括墨子號）使用的光子波長集中在800nm附近。如果我們選取1550nm，這個(gè)波長太陽光的輻射強(qiáng)度只有800nm的1/3左右；根據(jù)瑞利散射定律的波長四次方反比關(guān)系，1550nm光子的大氣散射只有800nm光子的7%；同時(shí)1550nm作為光通信波長，可以和地面的量子通信網(wǎng)絡(luò)自然對接?？偟南聛?，太陽光在1550nm產(chǎn)生的背景噪聲約只有800nm的3%，通過單模光纖接收技術(shù)還可以進(jìn)一步降低太陽光背景噪聲。

但1550nm帶來了另一個(gè)技術(shù)問題，就是光子的探測效率。常用的半導(dǎo)體單光子探測器在800nm附近效率很高，但是到了1550nm效率急劇下降，無法使用。于是我們發(fā)展了一套“上轉(zhuǎn)換探測器”技術(shù)，即首先利用晶體對光子的頻率上轉(zhuǎn)換效益，將需要探測的1550nm波長光子以很高的效率轉(zhuǎn)換為800nm附近波長的光子，再用半導(dǎo)體單光子探測器來探測，從而解決對1550nm光子的探測問題。

潘建偉團(tuán)隊(duì)通過以上1550nm光子源、太陽光背景下單光子接收、單光子上轉(zhuǎn)換探測器三大技術(shù)突破，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了太陽光背景下的自由空間量子密鑰分發(fā)。通信距離橫跨青海湖，達(dá)到53km，高于大氣層的垂直厚度。信道衰減也模擬了高軌衛(wèi)星到地面的衰減（48dB）。因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)全方位驗(yàn)證了利用高軌衛(wèi)星在太陽光背景下進(jìn)行星地量子通信的可行性。

值得一提的是，該青海湖實(shí)驗(yàn)基地也曾為“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星做過全方位的地面驗(yàn)證。綜上，我們有理由認(rèn)為這個(gè)在青海湖的白天量子通信實(shí)驗(yàn)是走向太陽光背景下衛(wèi)星量子通信的第一步，也將為未來覆蓋全球的量子通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)——“量子星座”提供可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點(diǎn)，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時(shí)，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨(dú)特優(yōu)勢，是在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。從本世紀(jì)初以來，該方向已成為了國際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。

二.衛(wèi)星量子通信的實(shí)驗(yàn)

潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究。2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后于2004年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了穿過大氣層進(jìn)行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了模擬星地相對運(yùn)動(dòng)和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，全方位驗(yàn)證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。“墨子號”衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過四個(gè)月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

三.衛(wèi)星量子通信的研究內(nèi)容

量子通信的研究內(nèi)容之一是量子密鑰分發(fā)。通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計(jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。

量子力學(xué)擁有著另一個(gè)怪現(xiàn)象：測量疊加態(tài)的結(jié)果完全拼概率。這種現(xiàn)象被玻爾稱為“上帝擲骰子”。與傳統(tǒng)通訊不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

量子通信的另一重要內(nèi)容是量子隱形傳態(tài)，它利用量子糾纏可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。

四.衛(wèi)星量子通信的科學(xué)目標(biāo)

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收的方式，“墨子號”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級（萬億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個(gè)信號光子，一次過軌對接實(shí)驗(yàn)可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1 kbps。

這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。

此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)（如合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線）互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

為此，《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是 “令人欽佩的成就”（“an impressive achievement”）和“本領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”（“it constitutes a milestone in the field”），并斷言“毫無疑問將引起量子信息、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家和普通大眾的高度興趣，并導(dǎo)致公眾媒體極為廣泛的報(bào)道”（“I have no doubt that it will attract the interest of scientists working in a variety of fields (including quantuminformation science and space science), the general public, and lead to very extensive media coverage”）。

地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號”量子衛(wèi)星的另一個(gè)科學(xué)目標(biāo)。量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式， “墨子號”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測到1個(gè)事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

《自然》雜志審稿人稱贊“這些結(jié)果代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”（“These results represent an important breakthrough in the quest for quantum communications over long distances”）, “這個(gè)目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中的重大進(jìn)步”（“This goal is very challenging and new, and it represent a significant advancement of the realization of quantum communications schemes.”）。

文章的預(yù)印本在學(xué)術(shù)網(wǎng)站

arXiv.org 上公開后就受到國際科學(xué)媒體廣泛關(guān)注，比如，自然新聞（Nature news）以“Quantum teleportation is even weirder than you think（量子隱形傳態(tài)超乎想象的神秘）”為題進(jìn)行了報(bào)道，BBC新聞分別以“First object teleported to Earth's orbit”和“Teleportation: Photon particles today, humans tomorrow?”為題進(jìn)行了連續(xù)報(bào)道，英國《衛(wèi)報(bào)》也以“Beam me up, Scotty! Scientists teleport photons into space”為題進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，等等。

“墨子號”量子衛(wèi)星全部三大既定科學(xué)目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn)，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

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