量子上行链路为卫星通信提供“蓝图”

　　加拿大的研究团队称，他们刚刚完成了机载接收机的原理证明，这使得基于量子光子学的高安全性光卫星链路成为可能。

　　尽管量子密钥分配(QKD)是一种使用单个光子的偏振或相位来保证信息安全的加密方法——该方法已经在机载平台上得到了验证，加拿大滑铁卢大学的科学家率先将量子密钥从地面传输到了安装在飞机上的接收器。

　　Christopher Pugh及其同事在《量子科技》杂志发表的一篇论文中声称，在本次实验中，地面发射站共向双水獭飞机上的接收器发射了14次信号。

　　他们在地面站发出的七次信号中生成了一个量子信号链接，设法提取出了“不可破解”的量子密钥，并成功译出了七个信号中的六个。

　　研究团队的领导者Thomas Jennewein声称，在经过了八年的准备之后，这次的实验结果使得卫星量子通信技术迈出了极其重要的一步。

　　量子传输：Christopher Pugh在“双水獭飞机”(Twin Otter plane)上安装用于量子密钥分配(QKD)上行实验的接收器单元。照片来源：加拿大国家科学研究委员会(NRC)。

　　“实验终于证明了我们的技术是可行的，”他说，“我们在地面与和低地球轨道卫星的角速度相同的机载平台之间建立了光学链路，并且在地面站与飞机之间的信道能够在十秒内建立通信链路。”

　　“光学链路在几分钟时间内，传输了长达868 kb的安全密钥，接收到的量子位错误率在3%到5%之间。”

　　卫星通信蓝图

　　Jennewein认为，量子通信的基本概念是正确的，这次实验为未来的卫星量子加密通信技术提供了一幅“蓝图”。

　　事实上，加拿大政府正在着手研究该技术。4月份，加拿大创新、科学和经济发展部宣布计划开发量子技术的太空应用——在未来五年内，将进一步增加8100万美元的计划。

　　该计划的参与者滑铁卢量子计算研究所说：“加拿大将通过该计划成为量子加密技术的领头羊，量子加密将采用高度先进的计算技术来创建几乎不可破解的安全代码。”

　　虽然QKD方法已经出现了数十年时间，并且已经在金融和军事领域中得到了初步应用，但是该方法仍然受到一些物理限制。

　　滑铁卢大学研究员Christopher Pugh解释说：“地基QKD系统使用光纤链路，由于光纤的吸收损耗，系统的范围被限制在几百公里的距离，因为随着距离的增加，光纤损耗将呈指数型增长。”

　　自由空间光学链路也被证明可以与移动接收设备配合工作，但是大气吸收和湍流以及对传播介质的要求将传输范围限制在“仅仅”数百公里。

　　Pugh表示：“借助卫星系统，量子通信将扩展到全球范围。”

　　然而，加拿大太空局和美国霍尼韦尔航空航天集团(Honeywell Aerospace)在量子加密和科学卫星(QEYSSat)任务中提出，与建立下行链路相比，建立QKD上行链路的一部分难度在于大气湍流会影响QKD链路的早期传输。

　　因此，到目前为止，所有机载QKD实验均是基于下行链路的，即将量子密钥从机载平台发送到固定的地面接收机。

　　785 nm波长传输

　　为了最大限度地减少光噪声影响，在两次夜间的飞行实验期间，滑铁卢研究团队将QKD链路建立在785 nm波长的激光，该激光是由1550 nm和1590 nm的激光在周期极化的氧化镁波导中通过和频技术产生的。

　　激光通过两个相位调制器产生四种不同的偏振态，并将这些信号通过折射望远镜传输出去。

　　信号到达机载接收器平台后由另一个折射望远镜接收，并通过分束器和光纤系统被引导到检测器模块。

　　“总共14架飞机中，有7架成功与地面站建立了量子信号链路。”该团队补充说，经过第一天检修了一些设备，第二天的七次实验中有五次成功。

　　在与地面接收机建立的七次链接中，飞机均以高达260km/h的速度飞行，该团队成功传输了六次量子密钥。

　　“我们的指向和跟踪系统能够建立和维护一个具有3km～10km距离的毫度精度的光学链路，而BB84协议的诱饵状态信号(即四个不同的偏振状态)通过信道发送到以低地球轨道卫星的角速度飞行的机载平台上。”他们在论文的结论称。

　　“我们的系统演示了上行链路(QKD)卫星任务的可行性。QKD卫星接收机的核心量子部件已被证明能够完成航天通信任务。”

　　卫星准备好了吗?　　

值得注意的是，滑铁卢大学的QKD接收机使用了许多“适合太空飞行”的组件，而其他组件则具有明确的卫星搭载开发计划。他们称，这是为了在QKD卫星上建立量子通信链路所做的技术准备。

　　除了加拿大，世界上还有许多国家在研究量子空间通信链接。2016年8月，中国发射了一颗“量子科学卫星”，并将进行量子通信链路实验。

　　根据当时的《自然》杂志报道，中国计划在两年内制造能产生成对纠缠光子的晶体，将量子密钥从卫星发送到地面站。

　　量子技术的新兴领域以及光子学扮演的关键角色将成为本月即将在慕尼黑开幕的全球光电展上成为焦点。

　　主办方慕尼黑展览公司表示，德国通快公司(Trumpf)的Peter Leibinger和德国Toptica公司首席执行官Wilhelm Kaenders都将就量子技术这一话题进行介绍，而来自德国乌尔姆大学的Tommaso Calarco将向与会者介绍一项以量子技术为中心的拥有庞大预算的欧洲研究计划。