量子上行鏈路為衛(wèi)星通信提供“藍圖”

　　加拿大的研究團隊稱，他們剛剛完成了機載接收機的原理證明，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)是一種使用單個光子的偏振或相位來保證信息安全的加密方法——該方法已經(jīng)在機載平臺上得到了驗證，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，在本次實驗中，地面發(fā)射站共向雙水獺飛機上的接收器發(fā)射了14次信號。

　　他們在地面站發(fā)出的七次信號中生成了一個量子信號鏈接，設(shè)法提取出了“不可破解”的量子密鑰，并成功譯出了七個信號中的六個。

　　研究團隊的領(lǐng)導(dǎo)者Thomas Jennewein聲稱，在經(jīng)過了八年的準(zhǔn)備之后，這次的實驗結(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”(Twin Otter plane)上安裝用于量子密鑰分配(QKD)上行實驗的接收器單元。照片來源：加拿大國家科學(xué)研究委員會(NRC)。

　　“實驗終于證明了我們的技術(shù)是可行的，”他說，“我們在地面與和低地球軌道衛(wèi)星的角速度相同的機載平臺之間建立了光學(xué)鏈路，并且在地面站與飛機之間的信道能夠在十秒內(nèi)建立通信鏈路。”

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

　　衛(wèi)星通信藍圖

　　Jennewein認(rèn)為，量子通信的基本概念是正確的，這次實驗為未來的衛(wèi)星量子加密通信技術(shù)提供了一幅“藍圖”。

　　事實上，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)濟發(fā)展部宣布計劃開發(fā)量子技術(shù)的太空應(yīng)用——在未來五年內(nèi)，將進一步增加8100萬美元的計劃。

　　該計劃的參與者滑鐵盧量子計算研究所說：“加拿大將通過該計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的計算技術(shù)來創(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：“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，因為隨著距離的增加，光纖損耗將呈指數(shù)型增長。”

　　自由空間光學(xué)鏈路也被證明可以與移動接收設(shè)備配合工作，但是大氣吸收和湍流以及對傳播介質(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)，量子通信將擴展到全球范圍。”

　　然而，加拿大太空局和美國霍尼韋爾航空航天集團(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影響QKD鏈路的早期傳輸。

　　因此，到目前為止，所有機載QKD實驗均是基于下行鏈路的，即將量子密鑰從機載平臺發(fā)送到固定的地面接收機。

　　785 nm波長傳輸

　　為了最大限度地減少光噪聲影響，在兩次夜間的飛行實驗期間，滑鐵盧研究團隊將QKD鏈路建立在785 nm波長的激光，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)中通過和頻技術(shù)產(chǎn)生的。

　　激光通過兩個相位調(diào)制器產(chǎn)生四種不同的偏振態(tài)，并將這些信號通過折射望遠(yuǎn)鏡傳輸出去。

　　信號到達機載接收器平臺后由另一個折射望遠(yuǎn)鏡接收，并通過分束器和光纖系統(tǒng)被引導(dǎo)到檢測器模塊。

　　“總共14架飛機中，有7架成功與地面站建立了量子信號鏈路。”該團隊補充說，經(jīng)過第一天檢修了一些設(shè)備，第二天的七次實驗中有五次成功。

　　在與地面接收機建立的七次鏈接中，飛機均以高達260km/h的速度飛行，該團隊成功傳輸了六次量子密鑰。

　　“我們的指向和跟蹤系統(tǒng)能夠建立和維護一個具有3km～10km距離的毫度精度的光學(xué)鏈路，而BB84協(xié)議的誘餌狀態(tài)信號(即四個不同的偏振狀態(tài))通過信道發(fā)送到以低地球軌道衛(wèi)星的角速度飛行的機載平臺上。”他們在論文的結(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)星搭載開發(fā)計劃。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，世界上還有許多國家在研究量子空間通信鏈接。2016年8月，中國發(fā)射了一顆“量子科學(xué)衛(wèi)星”，并將進行量子通信鏈路實驗。

　　根據(jù)當(dāng)時的《自然》雜志報道，中國計劃在兩年內(nèi)制造能產(chǎn)生成對糾纏光子的晶體，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幕的全球光電展上成為焦點。

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