量子上行鏈路為衛(wèi)星通信提供“藍(lán)圖”

　　加拿大的研究團(tuán)隊(duì)稱，他們剛剛完成了機(jī)載接收機(jī)的原理證明，這使得基于量子光子學(xué)的高安全性光衛(wèi)星鏈路成為可能。

　　盡管量子密鑰分配(QKD)是一種使用單個(gè)光子的偏振或相位來(lái)保證信息安全的加密方法——該方法已經(jīng)在機(jī)載平臺(tái)上得到了驗(yàn)證，加拿大滑鐵盧大學(xué)的科學(xué)家率先將量子密鑰從地面?zhèn)鬏數(shù)搅税惭b在飛機(jī)上的接收器。

　　Christopher Pugh及其同事在《量子科技》雜志發(fā)表的一篇論文中聲稱，在本次實(shí)驗(yàn)中，地面發(fā)射站共向雙水獺飛機(jī)上的接收器發(fā)射了14次信號(hào)。

　　他們?cè)诘孛嬲景l(fā)出的七次信號(hào)中生成了一個(gè)量子信號(hào)鏈接，設(shè)法提取出了“不可破解”的量子密鑰，并成功譯出了七個(gè)信號(hào)中的六個(gè)。

　　研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者Thomas Jennewein聲稱，在經(jīng)過(guò)了八年的準(zhǔn)備之后，這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果使得衛(wèi)星量子通信技術(shù)邁出了極其重要的一步。

　　量子傳輸：Christopher Pugh在“雙水獺飛機(jī)”(Twin Otter plane)上安裝用于量子密鑰分配(QKD)上行實(shí)驗(yàn)的接收器單元。照片來(lái)源：加拿大國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)(NRC)。

　　“實(shí)驗(yàn)終于證明了我們的技術(shù)是可行的，”他說(shuō)，“我們?cè)诘孛媾c和低地球軌道衛(wèi)星的角速度相同的機(jī)載平臺(tái)之間建立了光學(xué)鏈路，并且在地面站與飛機(jī)之間的信道能夠在十秒內(nèi)建立通信鏈路。”

　　“光學(xué)鏈路在幾分鐘時(shí)間內(nèi)，傳輸了長(zhǎng)達(dá)868 kb的安全密鑰，接收到的量子位錯(cuò)誤率在3%到5%之間。”

　　衛(wèi)星通信藍(lán)圖

　　Jennewein認(rèn)為，量子通信的基本概念是正確的，這次實(shí)驗(yàn)為未來(lái)的衛(wèi)星量子加密通信技術(shù)提供了一幅“藍(lán)圖”。

　　事實(shí)上，加拿大政府正在著手研究該技術(shù)。4月份，加拿大創(chuàng)新、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展部宣布計(jì)劃開(kāi)發(fā)量子技術(shù)的太空應(yīng)用——在未來(lái)五年內(nèi)，將進(jìn)一步增加8100萬(wàn)美元的計(jì)劃。

　　該計(jì)劃的參與者滑鐵盧量子計(jì)算研究所說(shuō)：“加拿大將通過(guò)該計(jì)劃成為量子加密技術(shù)的領(lǐng)頭羊，量子加密將采用高度先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)來(lái)創(chuàng)建幾乎不可破解的安全代碼。”

　　雖然QKD方法已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十年時(shí)間，并且已經(jīng)在金融和軍事領(lǐng)域中得到了初步應(yīng)用，但是該方法仍然受到一些物理限制。

　　滑鐵盧大學(xué)研究員Christopher Pugh解釋說(shuō)：“地基QKD系統(tǒng)使用光纖鏈路，由于光纖的吸收損耗，系統(tǒng)的范圍被限制在幾百公里的距離，因?yàn)殡S著距離的增加，光纖損耗將呈指數(shù)型增長(zhǎng)。”

　　自由空間光學(xué)鏈路也被證明可以與移動(dòng)接收設(shè)備配合工作，但是大氣吸收和湍流以及對(duì)傳播介質(zhì)的要求將傳輸范圍限制在“僅僅”數(shù)百公里。

　　Pugh表示：“借助衛(wèi)星系統(tǒng)，量子通信將擴(kuò)展到全球范圍。”

　　然而，加拿大太空局和美國(guó)霍尼韋爾航空航天集團(tuán)(Honeywell Aerospace)在量子加密和科學(xué)衛(wèi)星(QEYSSat)任務(wù)中提出，與建立下行鏈路相比，建立QKD上行鏈路的一部分難度在于大氣湍流會(huì)影響QKD鏈路的早期傳輸。

　　因此，到目前為止，所有機(jī)載QKD實(shí)驗(yàn)均是基于下行鏈路的，即將量子密鑰從機(jī)載平臺(tái)發(fā)送到固定的地面接收機(jī)。

　　785 nm波長(zhǎng)傳輸

　　為了最大限度地減少光噪聲影響，在兩次夜間的飛行實(shí)驗(yàn)期間，滑鐵盧研究團(tuán)隊(duì)將QKD鏈路建立在785 nm波長(zhǎng)的激光，該激光是由1550 nm和1590 nm的激光在周期極化的氧化鎂波導(dǎo)中通過(guò)和頻技術(shù)產(chǎn)生的。

　　激光通過(guò)兩個(gè)相位調(diào)制器產(chǎn)生四種不同的偏振態(tài)，并將這些信號(hào)通過(guò)折射望遠(yuǎn)鏡傳輸出去。

　　信號(hào)到達(dá)機(jī)載接收器平臺(tái)后由另一個(gè)折射望遠(yuǎn)鏡接收，并通過(guò)分束器和光纖系統(tǒng)被引導(dǎo)到檢測(cè)器模塊。

　　“總共14架飛機(jī)中，有7架成功與地面站建立了量子信號(hào)鏈路。”該團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充說(shuō)，經(jīng)過(guò)第一天檢修了一些設(shè)備，第二天的七次實(shí)驗(yàn)中有五次成功。

　　在與地面接收機(jī)建立的七次鏈接中，飛機(jī)均以高達(dá)260km/h的速度飛行，該團(tuán)隊(duì)成功傳輸了六次量子密鑰。

　　“我們的指向和跟蹤系統(tǒng)能夠建立和維護(hù)一個(gè)具有3km～10km距離的毫度精度的光學(xué)鏈路，而B(niǎo)B84協(xié)議的誘餌狀態(tài)信號(hào)(即四個(gè)不同的偏振狀態(tài))通過(guò)信道發(fā)送到以低地球軌道衛(wèi)星的角速度飛行的機(jī)載平臺(tái)上。”他們?cè)谡撐牡慕Y(jié)論稱。

　　“我們的系統(tǒng)演示了上行鏈路(QKD)衛(wèi)星任務(wù)的可行性。QKD衛(wèi)星接收機(jī)的核心量子部件已被證明能夠完成航天通信任務(wù)。”

　　衛(wèi)星準(zhǔn)備好了嗎?　　

值得注意的是，滑鐵盧大學(xué)的QKD接收機(jī)使用了許多“適合太空飛行”的組件，而其他組件則具有明確的衛(wèi)星搭載開(kāi)發(fā)計(jì)劃。他們稱，這是為了在QKD衛(wèi)星上建立量子通信鏈路所做的技術(shù)準(zhǔn)備。

　　除了加拿大，世界上還有許多國(guó)家在研究量子空間通信鏈接。2016年8月，中國(guó)發(fā)射了一顆“量子科學(xué)衛(wèi)星”，并將進(jìn)行量子通信鏈路實(shí)驗(yàn)。

　　根據(jù)當(dāng)時(shí)的《自然》雜志報(bào)道，中國(guó)計(jì)劃在兩年內(nèi)制造能產(chǎn)生成對(duì)糾纏光子的晶體，將量子密鑰從衛(wèi)星發(fā)送到地面站。

　　量子技術(shù)的新興領(lǐng)域以及光子學(xué)扮演的關(guān)鍵角色將成為本月即將在慕尼黑開(kāi)幕的全球光電展上成為焦點(diǎn)。

　　主辦方慕尼黑展覽公司表示，德國(guó)通快公司(Trumpf)的Peter Leibinger和德國(guó)Toptica公司首席執(zhí)行官Wilhelm Kaenders都將就量子技術(shù)這一話題進(jìn)行介紹，而來(lái)自德國(guó)烏爾姆大學(xué)的Tommaso Calarco將向與會(huì)者介紹一項(xiàng)以量子技術(shù)為中心的擁有龐大預(yù)算的歐洲研究計(jì)劃。