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