量子上行鏈路為衛星通信提供「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，這使得基於量子光子學的高安全性光衛星鏈路成為可能。

儘管量子密鑰分配（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――該方法已經在機載平台上得到了驗證，加拿大滑鐵盧大學的科學家率先將量子密鑰從地面傳輸到了安裝在飛機上的接收器。

Christopher Pugh及其同事在《量子科技》雜誌發表的一篇論文中聲稱，在本次實驗中，地面發射站共向雙水獺飛機上的接收器發射了14次信號。

他們在地面站發出的七次信號中生成了一個量子信號鏈接，設法提取出了「不可破解」的量子密鑰，並成功譯出了七個信號中的六個。

研究團隊的領導者Thomas Jennewein聲稱，在經過了八年的準備之後，這次的實驗結果使得衛星量子通信技術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）上安裝用於量子密鑰分配（QKD）上行實驗的接收器單元。照片來源：加拿大國家科學研究委員會（NRC）。

「實驗終於證明了我們的技術是可行的，」他說，「我們在地面與和低地球軌道衛星的角速度相同的機載平台之間建立了光學鏈路，並且在地面站與飛機之間的信道能夠在十秒內建立通信鏈路。」

「光學鏈路在幾分鐘時間內，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。」

衛星通信藍圖

Jennewein認為，量子通信的基本概念是正確的，這次實驗為未來的衛星量子加密通信技術提供了一幅「藍圖」。

事實上，加拿大政府正在著手研究該技術。4月份，加拿大創新、科學和經濟發展部宣布計劃開發量子技術的太空應用――在未來五年內，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的領頭羊，量子加密將採用高度先進的計算技術來創建幾乎不可破解的安全代碼。」

雖然QKD方法已經出現了數十年時間，並且已經在金融和軍事領域中得到了初步應用，但是該方法仍然受到一些物理限制。

滑鐵盧大學研究員Christopher Pugh解釋說：「地基QKD系統使用光纖鏈路，由於光纖的吸收損耗，系統的範圍被限制在幾百公里的距離，因為隨著距離的增加，光纖損耗將呈指數型增長。」

自由空間光學鏈路也被證明可以與移動接收設備配合工作，但是大氣吸收和湍流以及對傳播介質的要求將傳輸範圍限制在「僅僅」數百公里。

Pugh表示：「藉助衛星系統，量子通信將擴展到全球範圍。」

然而，加拿大太空局和美國霍尼韋爾航空航天集團（Honeywell Aerospace）在量子加密和科學衛星（QEYSSat）任務中提出，與建立下行鏈路相比，建立QKD上行鏈路的一部分難度在於大氣湍流會影響QKD鏈路的早期傳輸。

因此，到目前為止，所有機載QKD實驗均是基於下行鏈路的，即將量子密鑰從機載平台發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雜訊影響，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中通過和頻技術產生的。

激光通過兩個相位調製器產生四種不同的偏振態，並將這些信號通過折射望遠鏡傳輸出去。

信號到達機載接收器平台後由另一個折射望遠鏡接收，並通過分束器和光纖系統被引導到檢測器模塊。

「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，經過第一天檢修了一些設備，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能夠建立和維護一個具有3km～10km距離的毫度精度的光學鏈路，而BB84協議的誘餌狀態信號（即四個不同的偏振狀態）通過信道發送到以低地球軌道衛星的角速度飛行的機載平台上。」他們在論文的結論稱。

「我們的系統演示了上行鏈路（QKD）衛星任務的可行性。QKD衛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。」

衛星準備好了嗎？

值得注意的是，滑鐵盧大學的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星搭載開發計劃。他們稱，這是為了在QKD衛星上建立量子通信鏈路所做的技術準備。

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，中國發射了一顆「量子科學衛星」，並將進行量子通信鏈路實驗。

根據當時的《自然》雜誌報道，中國計劃在兩年內製造能產生成對糾纏光子的晶體，將量子密鑰從衛星發送到地面站。

量子技術的新興領域以及光子學扮演的關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公司首席執行官Wilhelm Kaenders都將就量子技術這一話題進行介紹，而來自德國烏爾姆大學的Tommaso Calarco將向與會者介紹一項以量子技術為中心的擁有龐大預算的歐洲研究計劃。

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