空间量子通信技术

空间量子通信技术

陈彦，胡渝

（ 电子科技大学 物理电子学院，成都 610054 ）

摘要：利用卫星来分发单光子（或纠缠光子对）的方法为远程量子通信网络提供了一种独特的解决方案。这将克服现有的光纤和陆上自由空间链路所带来的距离限制，实现真正意义上的全球量子通信。本文对这种设想进行了分析，证明这种设想有很高可行性。

关键词：量子通信; 空间技术; 光子分发

中图分类号：TN929.11；0431.2 文献标识码：A

Quantum Communications in Space

CHEN Y an ，HU Yu

（Institute of Physics and Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu，610054 ）

Abstract：Using satellites to deliver single photon or entangled photon pairs is a unique solution to realize long-distance quantum communications networks. This solution is able to overcome the disadvantage of transmission distance when using fiber and terrestrial free space optical links. And global quantum communications may be realized in this way. A scheme of using satellite to deliver single photon or entangled photon pairs is described，and the possibility of the scheme is proved.

Key words：quantum communications; Space technology; photon deliver

1 引言

量子通信具有“容量大、速度快、通讯保密性极强”的优点，可完成经典信息处理方法所不能完成的任务。利用量子通信可以建立无法破译的密钥系统，因此量子通信已经成为当今研究的热点。已经在标准光纤信道中，已经实现了距离超过100KM的量子密钥分配实验。同时，还在23km的自由空间信道中，实现了基于单光子的量子密钥分配[1]；在600m的自由空间中实现了基于纠缠光子对的量子密钥分配实验[2]。目前对量子通信的理论方案和实验研究，主要集中于利用光纤信道和点对点的陆地无线光信道。但光子在光纤和陆上自由空间信道中的传输距离只是局域性的，无法满足全球性的量子通信的需要。人们需要一种新的量子通信方案。

2 在空间中进行量子通信

单光子（纠缠光子对）的分发是实现量子通信的前提。当光子在光纤信道中传输时，其能量会随传输距离的增加而衰减，光子的偏振特性也会在传输过程当中发生变化；若利用陆上自由空间信道，则光子的能量会被大气信道吸收而衰减，同时链路的维持也会受到大气条件或陆上阻碍物的影响。因此，单光子在现在的硅光纤和陆上自由空间中的传输距离受到了限制，从而无法实现全球范围内的量子通信。而现在已得到广泛应用的卫星通信和空间技术却给全球性的量子通信提供了一种新的解决方案。它可以克服光纤和陆上自由空间链路的通信距离限制，极大地延伸量子通信的范围，实现真正意义上的全球性量子通信。

2.1 空间量子通信方案

按照单光子（纠缠光子对）发送者的不同，空间量子通信方案可分为地基和空基两种。下面分别介绍这两种方案。

2.1.1 地基（earth-based）方案

地基方案设想包括一个地基发射终端，该终端可以向地面站和卫星分发单光子，或者进行纠缠光子共享。这样就能在这些通信终端之间进行量子通信。其中最简单的情况，是一个地面终端与另外一个地面终端进行直接的通信，即陆上自由空间量子通信链路。如前所述，这种情况的通信距离有限。而由单个地面终端和单个卫星终端组成的上行链路，

可用于完成在发射终端和接收端间进行安全的量子秘钥分发（quantum key distribution-QKD）。若通过卫星的中继传输——透明转发，地面站就可以与很远距离之外的另一个地面站进行通信。这种方案的通信距离，远远大于陆上光纤和自由空间量子通信链路的距离（现有的实验，通信距离都不超过100km），可实现全球性的量子通信。但是应当注意的是，星-地光链路将受到大气湍流的影响，尤其是上行链路，因此这种地基方案实现起来有一定难度。图1示出了地基空间量子通信系统示意图。

图 1 地基空间量子通信系统示意图

2.1.2 空基（Space-Based）方案

在这种方案设想中，光源（单光子、纠缠光子对）位于空间发射平台上。此时的光通信链路经过的是星-地下行信道或星间信道。由于星-地下行光链路受大气湍流的影响较小，而星间光链路几乎不受大气影响，因此这种通信方案将能够建立更长距离的链路。这也是更容易接受和实现的全球量子通信方案。如图2所示，只需一个下行链路即可在两个地面终端之间共享纠缠光子对中的一个光子；同时，一个简单的下行链路可以建立一个单光子链路，如，量子密钥分配；此外，纠缠光子对的共享可以通过两个直接的下行链路来建立，或通过另外的卫星进行中继处理——透明转发；另外，量子纠缠的分发还可以在一个卫星终端和一个地面站之间进行，或在两个卫星终端之间进行。

图 2 空基空间量子通信系统示意图

2.2 空间量子通信的可行性分析

利用空间技术、使用卫星辅助在空间中进行量子通信的设想，可以大大延伸陆上光纤链路和陆上点对点的无线自由空间光链路的通信距离，满足全球性的量子通信的需求。这种设想无疑是一种非常积极的尝试。但在现有的空间光

第1期 (总第11期) 光 子 技 术 37 通信技术和硬件条件下，这些设想是否能够实现呢？下面将就这个问题展开讨论。

2.2.1 实现空间量子通信的必要条件

为了实现在空间中进行量子通信的设想，系统必须至少具备下述硬件：一个发射终端，一个或多个接收终端用于单光子操作和检测，以及一个用于光子转发的中继模块。

一个发射终端由光子源（产生单光子或纠缠光子对）、用于与接收端保持同步的计时模块、一个经典通信信道、以及相应的光学发射模块（如衰减片、起偏器、光学天线等）组成。

现有的单光子源为泊松激光器，它所发出的激光是经过高度衰减的弱激光脉冲，并不是严格的单光子源。泊松激光源已经广泛地应用于现有的基于单光子的量子密钥分配实验当中，并且获得了成功[3-5]。但因为它还不是严格意义上的单光子源，因此增加了信息被窃听的可能性。但通过对量子通信协议的修改，可以有效地降低由光子源引起被窃听的风险[6]。而现有的纠缠光子源,是基于自发参量下转换过程。这项技术极有可能通过改进缩小其模块的体积达到星上平台的要求。

一个接收端包括一个或多个光学输入信道，每个信道都允许独立地对量子比特（Qbit ）进行操作，如对光子偏振特性的旋转操作，或干涉相位的调制。此外，接收端的每个输入端口还必须配备单光子探测器、一个同步计时模块、以及一个与发射端通信的经典通信信道。其中与发射端通信的经典通信信道可以由现有的微波或者经典光波通信来提供。

可用作单光子探测的器件有很多，如光电倍增管（PMT ）、雪崩二极管（APD ）、增强型光电极管（IPD ）以及真空二极管（V APD ）等。因为单光子探测器所探测的目标是一个个的光子或者高度衰减的脉冲激光，其工作信号强度接近量子极限，极易被噪声所淹没。因此现有的单光子探测器为了降低噪声的影响，一般都要求在低温下工作，这就增加了系统的复杂程度和体积。因此，能够在接近常温条件下工作的单光子探测器是将来的一个发展方向。同时，现在已经商用的自由空间和光纤光通信探测器基本是硅材料制成的。这种探测器的光谱响应只能到800nm 左右，如表1所示。而对于另一已经用于空间光通信的、并且有很多潜在优势的波段——1500nm 波段，其对应的探测器是由锗及其化合物制成的，如表1所示。这种材料的探测器目前的制造和应用都还相当有限。因此随着量子通信的急速发展，对单光子探测器的研究将从两个方面进行：一方面对探测器件本身的结构、材料和生产工艺进行改进和提高，以便研究出结构更加合理、性能更加稳定、响应频段更加丰富的探测器件；另一方面将对探测器的外围控制驱动电路进行改造，以达到在常温或者接近常温条件下进行单光子探测的目的。

表1 几种高灵敏度的光电探测器比较 探测器

工作波段（nm ）主要应用波段（nm ）量子效率 Si-PMT

500～1050 600～800 30％ Si-APD

350～1100 600～800 85％ Ge-APD

500～1820 1310，1500 75％ InGaAs-APD 800～1750 1310，1500 80％

中继模块的作用是对接收到的量子比特进行操作或转发，但是不对它们进行测量。它可以由一个简单的光子回射器或者更复杂的中继卫星（例如在深空通信任务中）来担当，这样光子在地面站和深空卫星之间所建立的量子信道将变得透明化。这里需要强调的是，量子通信中的中继模块并没有放大器的作用。这是量子通信系统的一个特点，也是由量子力学的规律——量子不可克隆定理的结果。

2.2.2 链路分析

上一节分析了空间量子通信系统的硬件组成和需求。而要实现空间量子通信设想的另一个重要方面就是链路需求分析。下面作者将对这种通信系统所涉及的通信链路需求进行分析。

一个星间或者星地链路的接收功率P r 可以可以简化表示为 [7]：

r t t t d r r P P G L G ηη=?????

（1） 式中, P t 为发射功率,

t η为发射机效率,r η为接收机效率, G t 为发射天线增益, G r 为接收天线增益, L A 为空间

损耗因子。

按照现有的器件水平和实际情况，我们假设，一个星-地链路的通信距离L ＝1000km （LEO －地），发射机和接收机的光学透过率均为0.8，星上端机的天线口径取0.3m ，地面站端机的天线口径取1m ，链路的功率需求，如表2所示。

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其中L s为自由空间损耗，A a为总大气衰减。

表 2 星-地光链路功率需求表

λ＝0.8μm λ＝1.5 μm

上行链路下行链路上行链路下行链路

t

η -1dB -1dB -1dB -1dB

G t134 dB 123.5 dB 128.5 dB 118 dB

L s-264 dB -264 dB -258.5dB -258.5dB

A a -7.5～-17.5 d

B -7.5～-17.5 dB -5～-10dB -5～-10dB

G r121.4 dB 132 dB 116 dB 126.4 dB

r

η-5 dB -2 dB -5 dB -2 dB

总链路衰减 -22.1～-32.1dB -19～-29dB -25～-30 dB -22.1～-27.1 dB

从上表中可以看出，对800nm和1500nm波段来说，LEO－地光链路的最大链路衰减都不超过30dB。以目前现有的光通信器件和技术，克服这个数量级的衰减是完全可行的。

值得注意的是，进行上述估算时，我们假设的大气衰减系数最小取2dB/km，最大取6dB/km（800nm）。据有关实验测定[8]，这两种情况下的大气能见度分别为V＝4km，和V=2km。在实际的大气条件中，这两种假设条件所达到的能见度条件均属于比较差的情况。因此，我们的计算模拟并不是基于较好的大气条件，因而得出的功率需求曲线也是有相当的系统裕量的。基于这种假设条件的系统，可以经受条件很好，以及实际中比较普遍出现的条件不太好的天气的考验。当然，当大气条件过分恶劣（如雨雪天气、大风天气），任何激光通信链路的性能都将受到严重影响，甚至发生链路中断。

2.2.3 现有的空间光通信技术

目前，星间和星-地的经典光通信链路技术已经基本成熟。人们已经基本解决了空间光通信的系统设计和系统关键技术。美国、日本和欧洲的多个国家都已经成功地进行了大容量、远距离的星间和星-地经典光通信实验[9-10]，如表3所示。人们已经解决了大功率、高带宽的信号调制和发射技术，高灵敏度的信号探测和处理技术，以及空间光束的捕获、对准和跟踪（APT）等，星间和星-地激光通信系统中所涉及到的关键技术。

这些现行经典空间光通信系统中的光源和探测器还不能直接用于量子通信系统，需要对它们进行进一步的改进。但可从现有的器件开始实验，以便进一步开发适应空间量子通信实验的元件。

表3 国外典型空间光通信系统参数

研制国家名称应用范围工作波长通信码率/通信距离

OCD 空-地 0.86μm 几百Mbps～1Gbps/几百km

美国

STRV-2 LEO-地 0.8μm 1Gbps/2，000km

LCE 高轨-地上行：0.51μm

下行：0.8μm

1.024Mbps /37，800km

日本

LCDE ISS-地 1.55μm 上行1.2G，下行2.5G /几百km

欧洲 SILEX LEO-GEO0.847μm 50Mbps/45,000km

3 量子通信的最新研究进展和发展趋势

从1925～1926年，波尔创立量子力学理论至今，量子通信技术在理论和实践上，均已取得重要突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的广泛高度重视。在欧美，量子信息通信做为国家工程已经开始进行研究开发。美国国家科学基金会、美国国防部等部门正在着手此项技术的开发。欧盟从1999年开始研究，日本也从2001年开始把量子通信纳入十年计划，其预算规模将在今后10年内将达到400亿日元左右。我国的量子通信研究开展得相对较晚，但在国内众多科研单位和科研人员的不懈努力下，已成功地攻克了多项理论和实验难题，在部分领域甚至处于国际领先水平。

近年来，量子通信在实验领域内取得了一系列重大突破。已经分别验证了量子态的隐形传输，量子密集编码、以及量子秘钥的网络传输。特别是量子秘钥的实验演示取得的实验进展最大，已由陆上自由空间和光纤信道传输方式，

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开始向空间量子密钥传输方式迈进。

首次量子密码传送由Charles H.Bennett等人于1984年，在实验室中实现。这次实验向世人显示了运用单光子代替经典脉冲来进行密钥传送到可行性，从而开拓了量子密码通信的新时代，并创立了量子密钥传输的首个协议——BB84协议。Charles H.Bennett又于1992年提出了一种基于两个非正交态的二态量子密钥分发方案，称为B92协议[11]。Lior Goldenberg 和 Lev V aidman于1995年创造性地提出了基于正交态的量子密钥分配协议[12]。目前的所有量子密钥分配实验基本都是基于上述协议的。同时，量子密钥分配协议也在不停改进中，在此基础上产生了一些新的协议。

NEC的科学家于2003年实现了在标准光纤信道中，距离为150km的量子保密通信。这是迄今为止距离最远的量子密钥传输系统，也是光纤信道中进行量子密钥传输的极限距离。2004年8月，世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。崭新的量子密码通信网络目前已成功地实现了该公司与哈佛大学之间的连接，不久将延伸至波士顿大学。这套网络目前拥有6个节点，主要通过普通光纤来传输采用量子密码术加密的数据，与现有因特网技术完全兼容，网络传输距离约为10km。该网络的开发得到了美国五角大楼下属国防高级研究计划局的资助。

2001年8月，R.J.Hughes等人在海拔2.760km的pajarito mountain和Alamos国家实验室旁海拔2.153km的高空,进行了空间量子密码传输实验[13]。量子密钥的传送距离达10km，白天传输率为1.9kHz，误码率为5％；夜间的传输率为0.8kHz，误码率为2％。该实验向空间量子通信实验迈出了基础性的第一步。2002年10月，德国Ludwig-Maximilian 大学和英国军方下属的研究机构合作[14]，在德国和奥地利边境的Alice Zugspitze（海拔2.950km）和Westiche Kanwendespitze（海拔2.244km）之间成功传输量子密钥。实验在夜间进行，采用BB84协议，采用单光子源，传输距离达23.4km，原始码传输率为1.5～2kHz，误码率为5％。该实验是迄今为止，基于单光子源的空间量子密钥分配的最远传送距离。同时该实验又向空间量子通信实验迈出了很大一步。2005年，合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授和他的同事杨涛、彭承志等通过东西距离13km的自由空间纠缠光子分发实验[15]，在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，纠缠得特性任然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。传送中，虽有许多纠缠光子衰减，但仍有相当比例的纠缠光子能存活下来，携带信息的数量和质量能完全满足基于卫星的全球化量子通信的要求。13km不仅是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞量子密钥分发的最大距离。目前，美国Los Alamos国家实验室和欧空局ESA正在进行大量的空间量子密钥分布理论研究和可行性验证工作[16-18],同时积极开展地面的实验验证工作[13,14,19]。

据有关报道称，在2015年前后，量子通信和量子计算机将在技术上出现实用化前景。但是无论从理论还是实验上，量子通信技术都还有很多问题没有解决。如，在理论上，量子通信中起关键作用的量子纠缠的特性还远远没有被完全揭示；在实验单元技术上，如何有效产生多粒子纠缠态等。

目前量子通信的研究方向主要有：

（1）进一步寻找实现多粒子的量子耦合态的方法和技术。多于两个粒子的纠缠态称为GHZ态。它对于量子论和局域实在论之间的检验以及量子通信和量子计算的方案均具有重要意义。1999年实验实现了三光子(trio) 纠缠。2000年，潘建伟等利用三光子的GHZ纠缠态用实验演示了量子非定域性。Sackett等又实现了四光子纠缠。

（2）利用生物技术实现超光速通信等。

4 结论

地球是人类的家园，当我们离开地球到广袤的宇宙空间中进行探索的时候。由于遥远的距离，现有的微波和经典光波通信都将失去意义。只有借助量子通信的帮助，我们才能在广阔的宇宙中进行快速的信息传递和处理。空间量子通信将是人们探索和开发宇宙的有利武器，具有非常广阔的应用前景。

本文给出了各种卫星辅助的全球性量子通信方案，其中牵涉到各种新颖的技术和想法。基于目前的空间光通信技术，并设置合理的链路参数，已经可以完成一个基于量子纠缠的最基本的量子通信协议演示。在理论和实际应用技术上，已经不存在空间量子通信无法实施的障碍。同时，在空间光通信技术，特别是星-地光通信技术还未成熟的今天，要实现空间量子通信，还需要作出很大的努力。

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作者简介

陈 彦（1978-），女，现就读于电子科技大学物理电子学院，攻读光学博士学位。对大气激光通信系统、星间光通信系统、星－地光通信系统的系统和关键技术进行了理论分析和实验研究。目前的主要研究方向韦量子通信技术、量子密钥分布技术的研究。