潘建偉團隊頂刊綜述：全球量子通信網絡路線圖

從實踐的角度來看，量子密鑰分發如何在全球範圍內發揮作用？

7月6日，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、陸朝陽、曹原應邀在國際物理學權威綜述期刊《現代物理評論》[1]（Review of Modern Physics）上發表了題爲“基於‘墨子號’衛星的空間量子實驗”（Micius quantum experiments in space）的長篇綜述論文。本文可以視作全球量子通信網絡的路線圖。它全面回顧了自由空間量子實驗、基於“墨子號”衛星的量子通信，並針對空間-地面一體化量子網絡進行了前景預測。

值得一提的是，《現代物理評論》是國際物理學界最權威的綜述性期刊，每年僅發表約四十篇學術論文。該期刊一般不接受自由投稿，主要是邀請各領域卓有建樹的物理學家執筆，對當今物理研究的重大熱點問題做歷史總結、原理闡述、現狀分析和趨向預測。此論文是潘建偉團隊在該期刊上繼2012年的《多光子糾纏和干涉度量學》[2]、2020年的《基於現實器件的安全量子密鑰分發》[3]之後的第三篇綜述論文。

全文內容由光子盒篩選後整理如下：

利用量子力學原理可以解決數百年來困擾數學家們的信息安全問題。Stephen Wiesner率先在20世紀70年代提出利用量子二態系統、共軛編碼設計難以僞造的量子貨幣；20世紀80年代，Charles Bennett和Gilles Brassard提出了首個可行的量子密鑰分發（QKD）協議——BB84，這是一種無條件安全的加密方法。

最近，國際科學界和產業界對量子密碼的興趣顯著高漲，將量子密碼技術推向了計算機科學和物理學的主流。特別是在1994年Shor量子因子分解算法提出之後，該領域的一個重要目標是將量子密鑰分發的思想轉化爲一種實用的技術。QKD的小規模演示已經取得重大進展，但由於信道中光子損耗，通信範圍擴大仍存在挑戰。可擴展問題的潛在解決辦法是使用中繼器，但是目前的量子存儲器、量子中繼器無法實際應用。

更有希望的全球規模QKD解決方案是利用衛星：基於衛星的自由空間量子通信的重要優勢是，由大氣吸收和散射引起的光子損耗主要只發生在大氣層的低層∼10公里，光子傳輸幾乎沒有退相干。因此，對於長距離通信（幾百到幾千公里），衛星到地面的自由空間信道將比基於光纖的信道在損耗方面更有優勢。

除了QKD，太空中使用量子通信將有利於大規模測試量子物理學的基本原理。例如，量子力學預測可能在任意距離上觀察到量子糾纏，有必要驗證意外影響（如引力場）是否對距離存在限制；基於衛星的空間實驗室將爲量子光學實驗提供平臺，探究關於人類自由意志的長距離貝爾試驗、量子力學與廣義相對論等。使用基於衛星的自由空間信道可以視爲將量子實驗的空間尺度從幾米擴展到幾千公里（或更大量級），這將使我們能夠在更大的長度尺度上探索量子世界的本質。

與地面的距離和設想的相應量子實驗。

此篇綜述的重點是基於衛星的量子通信和使用“墨子號”衛星的量子物理學實驗。

“墨子號”專門用於量子科學實驗，以公元前四世紀的中國哲學家墨子（Micius）命名，於2016年8月在中國發射。在發射後的一年內，實現了全球規模量子通信網絡的三大關鍵里程碑：

衛星到地面的誘騙態（decoy state）QKD速率達千赫茲、距離達1200公里，以及北京到維也納的洲際密鑰交換；

基於衛星的糾纏分發到地球上相隔1205公里的兩個地點，以及貝爾測試；

地面對衛星的量子隱形傳態。

隨着“墨子號”衛星的成功，預計一場與空間量子通信有關的國際競賽即將開始。

單個粒子和糾纏的雙粒子狀態都可以應用於QKD。單粒子狀態代表準備和測量方案，如BB84協議中Alice以兩個互補基的四個狀態之一發送每個量子比特；基於糾纏的QKD包括Ekert91等方案，其中糾纏的量子比特對被分配給Alice和Bob，然後通過測量各自的量子比特提取關鍵比特，其中每一方測量兩個互補基中EPR對的一半。

量子加密協議。（a）BB84協議。協議目的是讓發送方（Alice）通過傳輸單光子向接收方（Bob）發送一個密鑰，將信息編碼在量子態中。利用光子的四種偏振態，跨越兩個基點（如，水平偏振|H⟩、垂直偏振|V⟩、對角線偏振|45°⟩，以及對角線偏振|-45°⟩）。信息編碼中，用|H⟩和|-45°⟩代表比特0，|V⟩和|45°⟩代表比特1。操作步驟：1）Alice選擇一組比特序列，隨機編碼將這些比特編碼在光子偏振中；2）Alice將光子發送給Bob；3）Bob隨機選擇方案測量狀態並獲得原始密鑰；4）Bob通過經典信道傳播他對光子測量的選擇；5）Alice對他們用於每個光子的編碼和測量的相同/不同結果作出肯定/否定回答；6）他們放棄使用不同基礎事件，保留剩餘的數據作爲私鑰。注：步驟2）中的任何竊聽都可以在這個最後檢查中被發現。（b）Ekert91協議：通過分配EPR對在Alice和Bob之間共享秘鑰。具體步驟爲：1）Alice和Bob首先分享一個糾纏光子對；2）Alice和Bob收到光子後，隨機、獨立地選擇測量基數；3）測量並登記一系列光子對。之後，公開所使用的測量基數，同時對結果保密；4）使用相同角度的測量結果作爲原始密鑰，並將其他結果用於貝爾不等式測試；5）如果違反了貝爾不等式，就排除竊聽；否則，丟棄所有密鑰。

1）量子密鑰分發

原理證明後，一系列實驗致力於將這些方案轉化爲實際應用。

1995年，英國電信實驗室團隊利用相位編碼在10公里長的光纖上演示了量子密碼；後來擴展到30公里，錯誤率爲4%；後來，一個瑞士團隊利用偏振編碼，在1.1公里的光纖上成功測試量子密碼學。

爲克服光子在光纖中傳輸過程中隨時間變化的偏振現象，研究在真實世界環境中使用已安裝的光纖進行實地測試。1992-2000年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）使用Bennett協議在14公里長的地下光纖上進行量子密鑰分發，錯誤率爲1.2%；同一團隊後來將這個距離增加到48公里，錯誤率爲9%。

不過，這些早期QKD並不能用於現實設備。另一種傳播介質——自由空間（free space），具有可忽略的雙折射優勢，因此允許光子偏振狀態的高保真傳輸。1996年，Jacobs和Franson首次嘗試在150米長的走廊上用熒光燈照明，在明亮的日光條件下室外傳輸距離超過75米；進一步的實驗將這項工作擴展到室外環境，在0.5公里（2000年）、1.6公里（2000年）、10公里（2002年）和23.4公里（2002年）的距離上對衰減的激光脈衝進行點對點自由空間傳輸。這些初步測試表明，自由空間傳輸中的信噪比可以通過檢測時間、窄頻濾鏡（narrow band filters）和空間濾波（spatial filtering）的組合來改善。

QKD發射器和接收器的偏振光學器件。

2）糾纏態分發

早先實驗使用衰減的激光脈衝來模擬單光子。這種激光脈衝可能單個脈衝包含兩個/更多光子，使系統存在光子數分離（PNS）的隱患。Ekert（1991）提出了基於糾纏的量子密碼學，使用貝爾不等式來建立安全性。除了在量子密碼中應用，糾纏分發也可用於基礎研究：如，貝爾不等式檢驗、量子傳送、分佈式量子網絡、計量學等量子信息任務。

（a）利用自發參量下轉換產生糾纏光子對的實驗裝置（Kwiat等人，1995）；（b）首次在360米距離實現完全基於糾纏的量子密碼。在351nm激光器的泵浦下，β-硼酸鋇（BBO）晶體在波長702nm處產生糾纏光子，雙光子重合率爲～1700Hz。這些光子被耦合到500米長的光纖中，並分別傳輸給物理上相距360米的Alice和Bob。

2000年，Jennewein等人利用Wigner不等式建立了量子信道的安全性，它比原來的Ekert協議更高效：在500米的光纖距離上，量子比特錯誤率爲3.4%；2000年，Ribordy等人使用實驗室內光纖將基於糾纏的量子密碼擴展到8.5公里：在1550nm的波長下產生了134Hz的原始密鑰率，錯誤率爲8.6%；2004年，Poppe等人展示了從市政廳到奧地利銀行Creditanstalt總部、物理距離爲650米、基於糾纏的量子密碼系統的成功運行，實現實驗室條件之外的真實場景應用。

3）量子隱形傳態

1997年，量子隱形傳態的首次演示（Bouwmeester等）激發了許多後續實驗，如擴展到連續變量系統、構建更完整的光子態隱形傳態等。

隨後，量子隱形傳態也被擴展到兩個光子的複合狀態、多個自由度、以及單個光子的更高維度。除了光子，量子隱形傳態在其他物理系統中也得到了證明，如核磁共振、原子集、捕獲原子和各種固態系統中。在純物質系統（如捕獲原子）中，遠距離傳輸只在原子間短距離進行；擴大傳送距離的方法之一是開發光-物質量子領域。2009年，利用光到物質的遠距傳輸，光量子比特得以存儲在靜態介質中，這對於構建基於量子中繼器方案的可擴展量子網絡至關重要。

量子隱形傳態可以理解爲是一種概率性的量子無損測量方法，可以作爲量子relay（沒有量子存儲器的量子中繼器的簡單版本）加以利用，能夠適度延長量子通信距離。例如，2004年，科學家在相同的信噪比條件下，將單個光子的傳輸距離增加了約3倍。

1）安全漏洞

只有運用完美的單光子源和探測器時，量子密碼才安全。然而，理想設備在實踐中並不存在：現實的QKD可能會引入安全分析模型偏差，黑客會利用這些不完善，發動量子攻擊。

因此，量子密碼編譯者和破譯者間的軍備競賽已經持續了20多年。參與者的目的是評估真實系統與理想系統的偏差，從而建立現實設備QKD的實際安全性。2000年，提出了著名的量子黑客策略——光子數分離（PNS）攻擊，由於來自準單光子源的脈衝中偶爾會有兩個相同的光子事件，PNS攻擊允許黑客選擇性地抑制單光子信號和分割雙光子信號，爲自己保留一份信號而不被Alice和Bob發現。由於這個漏洞，光纖中QKD的安全距離被限制在10公里。

爲解決這個問題，理論上提出了誘騙態QKD，已在實驗中得到了證明。如今，誘騙態QKD已經成爲實驗中的標準技術。隨後，理論和實驗上提出了與測量設備無關的QKD，消除了檢測系統的所有安全漏洞，並允許QKD網絡在非信任中繼下是安全的，足以對抗任何檢測器的缺陷。至此，將與測量設備無關的QKD與具有自校準的自制光源相結合的量子密碼系統被認爲在理論上足以滿足所有實際QKD應用。

2）遠距離傳輸

小規模量子通信實驗後，存在以下問題：什麼限制了量子通信的距離？在光纖和地面自由空間通道中都有不可避免的光子損耗，這種損耗隨着光纖傳輸長度的增加而呈指數級增長。

例如，在1000公里處，即使有10GHz的完美單光子源、理想的光子探測器以及微弱的光纖損耗，人們平均也只能檢測到0.3個光子。經典通信中有可能放大0和1的信號；然而，未知的量子疊加態不能無噪聲地被放大——這被稱爲“量子不可克隆定理”。雖然它保障了QKD的安全，但也排除了長距離量子通信中簡單放大量子信號的可能性。

延長量子通信距離的一個策略是“分而治之”。

與只對經典比特起作用的經典中繼器不同，量子中繼器結合了糾纏交換（entanglement swapping）、糾纏純化（entanglement purification）和光存儲，原則上可以實現任意尺度的量子通信。量子中繼器擴展量子通信距離背後的關鍵機制是將光子損耗的指數比例改爲與信道長度相關的多項式關係。要做到這一點，整個信道必須被分爲N段，這樣每段內的直接傳輸都可以產生合理的、良好的信噪比。

量子中繼器原理。（a）將通信信道分成N段。（b）使用糾纏互換在遠程節點間建立糾纏。（c）使用糾纏純化來獲取遠程節點間的高糾纏對。（d）使用量子存儲器將單光子存儲足夠長時間，並檢索單光子進行時間同步的雙光子干涉。

事實上，量子傳送和糾纏互換可以被認爲是概率性量子無損測量的方法，可以利用它來延長量子通信的距離：最多可延長4倍。根據數值分析，實現1000公里量子中繼器需要的參數仍然遠超最先進的技術，因此，量子中繼器不太可能在十年內實用化，現在有必要爲全球規模的量子通信提供其他更有效的途徑。

通常，對於光信號，自由空間中的衰減低於光纖中的衰減。例如，在較低的海拔處具有較高的吸收衰減；在地球大氣層上方的真空中，吸收衰減幾乎爲零。大氣的幾乎非雙折射特性保證了偏振狀態的高度維持。然而，僅靠陸地自由空間信道是不夠的：它們受到視線中物體的阻礙、天氣條件和氣溶膠可能造成的強烈衰減以及地球曲率影響。

因此，爲了充分利用自由空間鏈路的優勢，有必要發展空間和衛星技術。此外，大氣的有效厚度約爲5-10公里，光子的大部分傳播路徑位於空曠空間，這對於傳輸無法放大的單個光子至關重要。因此，在全球範圍覆蓋的量子密鑰分發網絡應用中，基於衛星的自由空間信道傳輸有望成爲天文尺度量子光學實驗的潛在路徑和全新平臺。

光纖和自由空間信道中的典型損耗。光纖的衰減參數爲∼0.2dB/km。自由空間信道的參數基於“墨子號”衛星設計，在∼70公里距離上顯示出優勢。

量子科學衛星“墨子號”遵循中國科學院“空間科學戰略優先研究計劃”的框架。主要的科學目標包括（1）衛星到地面量子密鑰傳遞；（2）從衛星到兩個地面站的量子糾纏分發；以及（3）地面到衛星的量子傳感。

“墨子號”計劃於2011年被正式批准。第一顆原型衛星的建造於2012年開始，並在2014年完成。此後，項目轉向建造衛星飛行模型，並在2015年11月完成。經過一系列的環境測試，包括熱真空、熱循環、衝擊、振動和電磁兼容性測試等，重達635公斤的“墨子號”準備充分，2016年8月16日，衛星由“長征二號丁”（Long March 2D）火箭在中國酒泉衛星發射中心成功發射。

1）有效載荷

“墨子號”衛星爲雙層設計，有效載荷由兩個光發射器（發射器1和2）、一個空間糾纏光子源（衛星的上層）、一個實驗控制處理器和兩個APT控制箱（衛星的下層）組成。

實驗控制箱有六個主要功能：實驗過程管理、隨機數生成和存儲、誘騙態光子源調製、同步脈衝記錄、QKD後處理（包括原始密鑰篩選、錯誤校正和隱私放大以獲得安全最終密鑰）和加密管理。兩個發射器都包含一個望遠鏡和一個光學箱。爲了減少發射損失，發射器2採用了離軸（off-axis）望遠鏡設計，專門用於將量子糾纏從衛星分發到兩個獨立的地面站。

“墨子號”衛星主要有效載荷。（a）“墨子號”衛星發射前的照片；（b）發射器1，用於量子密鑰分發、糾纏分發和隱形傳態；（c）發射器2，專門設計用於糾纏分發；（d）實驗控制箱；（e）糾纏光子源。

光學箱主要包括一個跟蹤系統、一個用於採樣測量的集成接收模塊，以及一個用於偏振校正的電動波片組合。兩個發射器都包含一個多級APT系統：第一階段涉及衛星高度控制，系統保持光子指向地面站，誤差小於0.5°；第二階段是粗控制環路，涉及發射機1的兩軸萬向節反射鏡和發射機2的二維可旋轉望遠鏡；第三階段是精細控制環路，涉及由壓電陶瓷和攝像機驅動的快反鏡（FSM）。APT控制箱的重量爲10公斤，主要包含粗跟蹤環路和細跟蹤環路的控制電子裝置，功能具體爲電機驅動器、快反鏡（FSM）驅動器、粗反饋環路控制器和細反饋環路控制器。

發射器光學頭。來自糾纏光子源的準直光束通過電動波片組合和激光擴束器，然後使用二向色鏡與850nm同步激光器組合。（a）發射器1的光學頭。（b）發射器2的光學頭。

2）合作地面站

爲了與衛星協調，需要建立新的地面站或對現有的地面站進行升級。中國總共有五個地面站：其中四個通過下行信道接收，一個通過上行信道發射，它們分別是：中國國家天文臺興隆觀測站的1米口徑望遠鏡（升級改造），用於衛星到地面的QKD；雲南天文臺麗江觀測站的1.8米口徑望遠鏡（升級改造），用於糾纏分發實驗；新疆天文臺南山觀測站直徑2米的望遠鏡（新建），用於糾纏分發和QKD實驗；中國科學院紫金山天文臺青海觀測站直徑1.2米的望遠鏡（新建），用於糾纏分發和QKD實驗；位於西藏阿里的發射站有三臺小型發射望遠鏡，專門用於從地面到衛星的量子隱形傳態實驗。

“墨子號”衛星的典型接收地面站。（a）兩軸雲臺望遠鏡（Two-axis gimbal telescope）；（b）信標光和粗跟蹤相機（coarse camera）；（c）光接收器盒；（d）接收器的典型光學設計，包括接收望遠鏡、ATP系統和QKD探測模塊。

“墨子號”於2016年8月16日在中國酒泉成功發射，在500公里的高度上運行。如今，已經在全球範圍內建立了相應地面觀測站，以進行設計QKD、糾纏分發、量子隱形傳態和量子物理學等基礎測試實驗。

1）衛星到地面的量子密鑰分發

“墨子號”衛星發射後，第一個目標是建立空間-地面量子鏈路，進行衛星到地面的QKD。衛星每天在當地時間午夜，以太陽同步軌道通過每個地面站，持續時間約爲5分鐘。

衛星到地面QKD的實驗過程。

星地量子密鑰分發在一個軌道上的性能。（a）在興隆地面站測量的“墨子號”衛星軌跡；（b）根據從衛星到站點的時間、物理距離篩選密鑰速率；（c）觀察到的量子誤碼率。（d）衛星和地面之間不同距離的下行信道衰減；（e）23天不同時間獲得的QKD數據彙總。x軸是最短的衛星到站點間距離（發生在最高仰角，並且隨時間變化），y軸是平均篩選密鑰率。

上圖是2016年12月19日獲得的相關QKD數據案例。其中，衛星-觀測站的距離爲645-1200公里，在273秒後在地面站收集了3551136個探測事件，得到了1671072位篩選密鑰（sifted keys）。爲最終實現QKD應用，未來方向將主要集中在提高密鑰率上。

2）衛星上的糾纏分發

“墨子號”衛星的第二個計劃任務是將其空間糾纏光子雙向分發到地球上兩個遙遠的地方。

長距離糾纏分發對於量子物理學基礎性測試、可擴展量子網絡都至關重要。然而由於信道損耗，以前實現的距離被限制在300公里以內。這主要是由於信道（光纖/地面自由空間）中的光子損耗，通常與信道長度成指數關係。例如，使用10MHz計數率的糾纏光子對直接通過兩根600公里的電信光纖（損耗爲0.2dB/km）進行雙向分發，最終只能獲得10-17/s的雙光子重合事件。

（a）從衛星到青海、麗江的典型兩條下行信道，在每個軌道上持續約275秒。衛星到青海的距離從545到1680公里不等；衛星到麗江的距離從560-1700公里不等，兩個下行信道的總長度從1600到2400公里不等。（b）使用高強度激光和糾纏光子結合，測量一個軌道上的兩個下行信道衰減。當衛星剛剛達到麗江站觀測到的10°仰角時，在2400公里的總距離上，最大損耗爲82dB。由於其望遠鏡（最大）直徑爲1.8米，因此比其他臺站具有更高的接收效率；當衛星以15°以上的仰角飛越麗江時，信道損耗相對保持穩定（從64-68.5dB）。

爲了完成糾纏分發，位於青海、烏魯木齊南山和雲南麗江觀測站的三個地面站正與衛星合作，“墨子號”和這些地面站間的距離從500-2000公里不等。衛星每秒用兩個望遠鏡發射5.9×106個糾纏光子對，在發射器和接收器中設計了級聯的多級閉環APT系統，同時建立兩個獨立的衛星-地面量子鏈路。使用衛星上的激光器，可以實時測量兩個下行鏈路的整體信道衰減，其範圍從64-82dB。與普通商業電信光纖直接傳輸同一雙光子源的糾纏分發相比，在275秒的覆蓋時間內，基於衛星的有效鏈路的傳輸距離高17（12）個數量級。

3）基於糾纏的量子密鑰分發

基於糾纏的QKD特別有吸引力，因爲其固有的與源無關（source-independent）的安全性：允許在沒有任何信任中繼的情況下保證通信安全。

2020年，科學家在相隔1120公里的青海和南山地面站之間進行了一次實驗，使用效率更高的望遠鏡和光學器件，QKD接收效率得到了極大提高。由於基於糾纏的QKD的源無關性，該系統對源中的任何漏洞都免的，剩下的就是確保兩個地面站的檢測安全。在實驗中，科學家通過對不同自由度的過濾，包括頻率、空間和時間模式，確保了公平採樣的有效性。通過在226秒的有效收集時間內進行1021次貝爾測試，可以認爲該系統是安全的。

基於糾纏的量子密鑰分發實驗裝置。（a）“墨子號”衛星和兩個地面站的圖示；（b）-（d）對側信道進行監測和過濾；（b）寬帶和窄帶濾波器傳輸；（c）具有/不具有盲攻擊（blinding attack）的監測電路輸出。在沒有盲攻擊時，輸出是隨機的單光子探測信號（黑點）；對於盲目攻擊（從0.2毫秒開始），輸出信號約爲2伏，高於安全閾值進而觸發安全警報；（d）空間中四種偏振的系統檢測效率：對於空間濾波器，四種效率相同。

4）地面到衛星的量子隱形傳態

“墨子號”衛星的第三個任務是將單個光子從阿里的觀測站向衛星進行量子隱形傳態，這是一個上行鏈路。與之前的下行鏈路相比，上行鏈路遠程傳輸實驗有兩個額外的挑戰：首先，單光子的遠距離傳輸需要一個多光子干涉儀，其巧合計數率比典型的單光子/雙光子實驗低幾個數量級；其次，上行信道的大氣湍流發生在傳輸路徑的開始階段，這會增加行進光束的擴散量。最終，遠程傳輸實驗的保真度達到了0.80±0.01。

單光子地-星量子隱形傳態裝置，距離可達1400公里。（a）西藏阿里地面站照片上的衛星示意圖。在量子隱形傳態過程中，衛星和地面站之間的距離約爲500-1400公里；（b）多光子裝置，用於地面站的遠程傳輸；（c）地面站的發射器；（d）衛星上的接收器。

5）衛星中繼的洲際量子密鑰分發

“墨子號”衛星可以被進一步利用，作爲一個可信的中繼站，方便地連接地球上的任何多個點，形成一個高安全的密鑰交換網絡。2017年，成功地進行了衛星到烏魯木齊附近的南山地面站和維也納附近的奧地利格拉茨地面站的QKD實驗，最終密鑰長度實現400-833 kbits。

演示中，興隆和格拉茨之間建立了一個100kB的安全密鑰。大約10kB的密鑰被用來從北京到維也納傳輸一張“墨子號”的圖片（大小爲5.34kB），以及使用一次一密從維也納到北京傳輸一張薛定諤的圖片（大小爲4.9kB）。另外70kB的安全密鑰與高級加密標準-128協議相結合，用於北京和維也納之間75分鐘的視頻會議，總數據傳輸量約爲2GB。

三個合作地面站（格拉茨、南山\興隆）圖示。列出了用於密鑰生成的所有路徑以及相應的最終密鑰長度。

6）探測引力引起的退相干

“墨子號”衛星也爲測試由地球引力引起的糾纏退相干提供了可行性。量子力學和相對論構成了現代物理學的基石：廣義相對論預測了一種被稱爲封閉時間曲線（CTC）的奇異時空結構，CTC違反了因果關係，原則上可以由時空本身的量子波動形成。爲了從理論上描述包含CTC的異域時空和普通時空的量子場，事件形式（event formalism）理論預測，量子場的不同演化會概率性誘發兩個糾纏光子通過彎曲時空的不同區域的時間去向，這在標準量子理論中能夠保持糾纏。

實驗中，在阿里地面站準備了一個偏振糾纏的光子對，如下圖所示。路徑2的光子通過普通時空後在地面上被檢測到，而它的孿生光子在彎曲時空傳播後被衛星“墨子號”接收。由於引力不能誘發經典相關的退相干，所以可以使用相干激光代替參考。糾纏光子在傳輸前與路徑1中微弱的相干激光脈衝相結合。然後，傳輸的相干光子與地面路徑3的光子關聯。兩列糾纏和相干光子被移位一半的脈衝間隔（∼6ns），從而使衛星能夠通過它們的到達時間來區分這些光子。

引力誘導糾纏退相干實驗測試裝置。

7）空間量子國際競賽

如今，空間量子實驗的國際競賽正在開展，許多量子通信衛星項目已被批准。例如，自2010年以來，加拿大的QEYSSat項目一直由加拿大航天局研究，它在2017年、2019年分別獲得150萬美元、3000萬美元的資金。其任務概念是與霍尼韋爾航空航天公司合作開發量子上行鏈路；2020年，Oberhaus報告NASA計劃建立一個量子衛星鏈接——Marconi 2.0，希望在2020年代中期至晚期在歐洲和北美間建立一個天基量子鏈路。

除了“墨子號”，還有其他量子衛星計劃。（a）加拿大量子加密和科學衛星項目；（b）“立方星”（3U CubeSat），涉及新加坡國立大學一個小組開發的糾纏光子源；（c）法國和奧地利的研究人員提出了基於“立方星”的任務概念Nanobob；（d）“立方星”量子通信任務（CQuCoM）由一個聯合研究團隊共同承擔。

“墨子號”的成功僅僅是個開始。中國的量子衛星計劃在未來五到十年內有兩個目標：1）開發3-5個專門用於QKD任務的小型低地軌道衛星，將提供更實用、高效的QKD服務；2）開發一顆中地軌道到地球同步軌道（GEO）的量子科學衛星，以進行更具雄心的科學實驗。

1）日間量子通信

目前基於衛星的量子通信任務的主要缺點之一是，它們只在夜間工作，這大大限制了實際應用。

由幾十顆衛星組成的量子衛星星座可以提供全球實時量子通信。這樣的衛星星座預計將與低地球軌道和高地球軌道（HEO）衛星一起運行，如GEO衛星。衛星處於地球陰影區的概率隨着軌道高度的增加而迅速下降：一個低地軌道衛星系統有∼70%的概率處於陽光區；對於地球同步軌道衛星，這個概率增加到∼99%。

因此，量子衛星星座的急需突破是展示日光下的自由空間量子通信。

基於衛星星座的全球量子網絡。（a）一個全球量子網絡需要許多低軌衛星或幾個地球同步軌道衛星組成一個衛星星座。衛星在地球陰影區的時間與衛星的軌道高度成反比。（b）選定天頂角下大氣中可見光到近紅外光的透射光譜。（c）從可見光到近紅外光的太陽輻射光譜。

2）基於衛星星座的量子網絡

僅僅一個低地球軌道衛星不足以支持全球規模的量子通信網絡建設。一般來說存在兩個發展方向：增加衛星的數量，並提高軌道高度。因此，有必要建立一個結合低地球軌道和高地球軌道的量子衛星星座。

對於低地球軌道衛星，考慮小型、低成本的QKD有效載荷是經濟的：可以組裝在不同大小的衛星上，如微型衛星和空間站。2017年，科學家嘗試開發了一個從天宮二號空間實驗室到南山地面站的空間-地面QKD的小型有效載荷。這個57.9公斤的有效載荷集成了一個跟蹤系統、一個QKD發射器以及同步模塊和一個激光通信發射器。在空間實驗室中，50兆赫的真空和弱誘騙態的光源通過一個孔徑爲200毫米的反射式望遠鏡被髮送，在實驗中通信距離在388-719公里之間，QBER爲1.8%，建立量子信道時，最終密鑰率爲∼91bits/s。

天宮二號空間實驗室到地面的量子密鑰傳遞示意圖。（a）空對地量子密鑰分發；（b）誘騙態QKD發射器示意圖；（c）配備1200毫米孔徑望遠鏡的南山地面站中的誘騙態QKD解碼器示意圖。LA1，綠色激光（532nm）；CAM1，粗跟蹤相機；CAM2，精跟蹤相機；LD，激光二極管；RLD，基準激光二極管；FSM1，快速轉向鏡；HWP，半波片；極化器；偏振分束器；BS，分束器；ATT，衰減；LA2，紅色激光（671nm）；CAM3，精跟蹤相機；CAM4，粗跟蹤相機；CPL，耦合器；DM，二向色鏡；中頻，干擾濾波器；FSM2，快速轉向鏡；BE，擴束器；SPD，單光子探測器。

像“天宮二號”中使用的緊湊、低成本的有效載荷可以被組裝在不同大小的衛星上，以構建基於衛星星座的量子網絡。對於實際的空地一體化量子通信網絡，用戶的數量遠遠大於QKD有效載荷，“墨子號”衛星的典型地面站對於更多用戶的大規模應用來說過於龐大、沉重。應重新設計地面站，使其更小、更輕、更便宜，以滿足實用量子星座的要求。2022年，科學家在中國多個城市驗證了使用緊湊型地面站（小於100公斤，直徑280毫米）驗證衛星-地面QKD的可行性。

實驗證明緊湊型地面站的星-地量子密鑰分發。到2020年，包括北京、濟南、威海、麗江和漠河在內的中國多個城市已經演示了帶有“墨子號”衛星和緊湊型地面站的QKD。典型的篩選密鑰率爲∼2 kbits/s。

通過上述努力，我們可以進一步設想出一個具有量子星座和地面光纖網絡的全球量子通信基礎設施。其中，地面的光纖網絡爲遠程城市提供安全的通信服務。同時，由低軌道和高軌道衛星組成的量子星座連接光纖網絡上的關鍵節點和可移動節點，最簡單的量子星座應該包括至少三顆低軌道衛星和一顆高軌道衛星。在這種配置下，假設至少需要覆蓋100個地面站，每個地面站每年需要與衛星發生50次以上的QKD鏈接，每次衛星通過可以獲得約2Mbits。這樣每個站每年可以獲得100Mbits，量子星座每年總共可以輸出約10Gbits的密鑰，可以支持語音通信的基本功能。此外，HEO衛星可以爲一些重要地區提供24小時的QKD服務，密鑰速率爲1kbit/s，可以解決文本通信的基本需求。

全球量子通信網絡路線圖。將使用光纖創建市內城域網，量子中繼器可以連接城域網，遠程和洲際量子通信將通過衛星量子信道實現。

此外，利用衛星還可以進行更大空間尺度上糾纏分發的量子實驗：如測試量子力學和廣義相對論、廣域量子安全高精度光學時頻傳輸、高軌道衛星開發光學時鐘等。本篇綜述所涉及的工作僅僅代表了空間尺度量子實驗這一新興領域的曙光，期望在未來看到更多相關實際應用。

參考文獻：

[1]https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.94.035001

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