利用量子卫星，将实现空、海跨域通信

Original 光子盒研究院光子盒 2023-04-26

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光子盒研究院出品

今天，滑铁卢大学正式发文，详细介绍了将与欧洲团队展开的三年合作——HyperSpace，这一合作旨在实现跨大西洋的量子卫星链路：该链路可以在位于加拿大、欧洲的量子地面站之间以多种方式分配纠缠光子。

HyperSpace项目创立于2022年底，由欧盟委员会和加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)共同出资280万欧元，项目侧重于研究集成光子学和光学空间通信，研究内容涵盖了光量子通信的整个过程链。

滑铁卢大学量子计算研究所(IQC)教员Thomas Jennewein表示：“在HyperSpace项目结束时，我们想把卫星任务架构准备好，实质上是为欧盟-加拿大的量子卫星任务提出一个‘将怎么办’的指南。我们希望确定潜在的技术瓶颈，这样一来，我们将知道在努力使这个未来卫星成为现实时，需要优先考虑这些领域。”

纠缠分发(Entanglement distribution)是构建未来“量子互联网”的重要组成部分，它将是一个安全的全球量子通信网络。HyperSpace的卫星被设想为一个双链路节点，卫星上有两个独立的“望远镜”。这种双链路允许在相距甚远的量子地面站之间同时分发纠缠的光子。

在后勤方面，为了使HyperSpace卫星能够进行跨大西洋的链接，它需要有一个高轨道，这意味着光子在从太空到地面的过程中极有可能丢失。为了解决这个问题，HyperSpace研究团队正在研究如何使这些较长的卫星链接变得可行，方法是发送在多个自由度（频率、时间、偏振）中纠缠在一起的光子，因为它们对损失和随后的错误更加稳健。

连接加拿大、欧洲的量子卫星双下行(dual-downlink)链路方案的概念图，以及将在超空间项目中探索的相关研究领域。

HyperSpace卫星的用例之一是通过量子密钥分发(QKD)在两个量子地面站之间建立加密链接。QKD是一种加密通信方法，其安全性在理论上得到了量子力学原理的保证，它使双方能够产生一个共享的“秘钥”，然后可以用其来加密、解密公开共享的信息。

滑铁卢大学量子计算研究所(IQC)最早于2016年开始研究量子通信卫星技术，最初得到加拿大国防研究发展局(DRDC)的资助，随后由加拿大航天局(CSA)继续资助。2016年，IQC在加拿大国家研究委员会(NRC)飞行研究实验室的支持下，成功演示了渥太华地区地面发射器和飞机上接收器有效载荷之间的量子密钥分发(QKD)。之后，IQC与多伦多大学航空航天研究所(UTIAS)空间飞行实验室(SFL)合作研究了利用纳米卫星平台执行快速、低成本的QKD天基演示任务的可行性。

Jennewein和他的滑铁卢大学量子光子学实验室的成员正在领导HyperSpace任务要求的规划和开发工作，并为测试新技术提供技术支持。对此，Jennewein说：“作为一个现在在加拿大研究的奥地利人，通过量子通信连接加拿大和欧洲一直是我的梦想。这样的连接是推进有线互联网的一个巨大进展，将可以帮助我们建立量子互联网。”

从长远来看，长距离量子通信需要发展量子中继器和卫星网络，这一发展趋势也通过多年的实际行动得以证实。

卫星传输是除光纤传输之外的重要传输方式，也是目前量子通信的主要发展技术。由量子通信卫星组成的天地一体的量子网络进一步展开实验，各国均希望在网络安全和通信方面的拥有自主权，通过印证卫星组网的方案，将量子保密通信网络向经济化、小型化、商业化发展。

目前，国际上的“量子卫星”项目包括欧洲航天局领导的SAGA、欧洲卫星公司(SES)领导的QUARTZ、德国领导的QUBE、法国和奥地利合作的NanoBob、英国领导的ROKS、英国和新加坡合作的SpeQtre、英国和欧洲航天局合作的QKDSat、加拿大领导的QEYSSat、意大利领导的SeQBO、新加坡SpeQtral Pte Limited与比利时RHEA System Luxembourg公司的合作、新加坡SpeQtral和卢森堡网络安全设施工程公司RHEA、Aegiq和埃克塞特大学启动的U-Quant项目等。

2018年，欧洲成立量子互联网联盟(QIA)，这是欧洲量子旗舰计划的一部分。

QIA近期目标是建设量子通信基础设施和量子计算基础设施，十年之内为网络安全服务建立和部署一个泛欧洲的端到端量子通信基础设施，包括：

将量子密码应用到关键通信系统中
保护数据网络、时钟同步
电子投票
结合地面和卫星组件实现广泛覆盖
成为量子互联网的骨干基础设施

2019年4月，欧盟委员会和欧洲航天局达成协议，迈出建立高度安全的泛欧量子通信基础设施的第一步。

泛欧量子通信基础设施地面组件的开发将由欧盟委员会下属的通信网络、内容和技术总司(DGConnect)负责。地面组件由一系列量子通信网络组成，这些网络会将机构用户及其关键基础设施与欧洲敏感的通信和数据站点连接起来。

此外，欧洲航天局还有一个与英国量子密钥分发服务运营商ArQit合作的项目——量子密钥分发卫星(QKDSat)。为此，ArQit正在领导一个财团，包括安全和国防承包商QinetiQ、英国电信、半导体制造公司Teledyne e2v，以及德国、奥地利、加拿大、捷克和瑞士的几个主要参与者。

近期，欧盟还宣布投资60亿欧元，建立卫星星座基础设施并连接欧洲量子通信基础设施。

英国还单独领导了一个量子通信卫星项目——关键服务响应行动(ROKS)，该任务将展示未来安全电信系统使用量子密钥分发(QKD)和人工智能支持的技术。这一阶段的工作将推进飞行有效载荷和地面测试系统，直到2022年最终建成在轨演示。

不仅如此，英国和新加坡于2019年2月启动了SpeQtre（前称QKD Qubesat）项目。目标是建造和运行卫星量子密钥分发(QKD)试验台。通过这一合作，新加坡和英国将共同开发一颗名为“Speqtre”的立方星，使用QKD技术来测试加密密钥在全球范围内的安全分发。

该项目于2019年2月启动，目前正处于项目设计阶段。该卫星预计将于2023年第三季度/第四季度发射。在英国，这项工作将由英国国际关系研究所牵头，负责开发平台和传输QKD信号所需的光学有效载荷。

Speqtre量子通信卫星示意图

德国QUBE量子通信卫星项目，从2017年8月持续到2020年7月。该项目由德国一个专门研究小型卫星技术的研究所Zentrum für Telematik(ZfT)建造一个立方星(一种立方体的微型卫星)，使用量子密钥交换技术在卫星和地球之间提供安全的通信链路。若干这样的立方星可用于创建全球密钥分发网络，以便在世界范围内建立安全的通信渠道。

QUBE是ZfT与德国卫星制造商OHB系统公司、德国航空航天中心、慕尼黑大学、马克斯-普朗克光物理学研究所的联合项目。先进的量子技术与强大的光通信系统相结合，并集成到一个创新的立方星系统中。

QUBE计划于2020年底发射，但是尚未成行。

法国Airbus称已开发出能够支持基于卫星的QKD网络的高通量需求的高性能卫星，并计划在2026年之前将新型的载荷系统投入使用。法国和奥地利合作的NanoBob项目也于2017年启动，合作双方为法国格勒诺布尔大学空间中心（CSUG）和奥地利维也纳量子光学和量子信息研究所（IQOQI）。他们在一篇2019年的EPJ Quantum Technology论文中提出了地对空量子密钥分发(QKD)任务概念，以及相关的低地球轨道纳米卫星有效载荷开发的可行性研究。

通过将纠缠光子源放置在地面上，空间段仅包含不太复杂的检测系统，能够在紧凑的外壳中实现，与12U立方星标准（~12 dm³）兼容。这降低了项目的整体成本，使其成为未来欧洲量子通信卫星任务的理想选择。

NanoBob空间段也比包含源的空间段更通用，因为它与多个QKD协议(不限于纠缠光子方案)兼容，并且可以用于量子物理实验，例如纠缠退相干的研究。其他可能的实验包括大气传输/湍流表征、精确指向和跟踪以及精确的时钟同步。所有这些对于未来全球规模的量子通信努力都至关重要。

NanoBob量子通信卫星组件

奥地利作为量子通信的领先国家，1997年，维也纳大学Anton Zeilinger团队首次成功实现了量子隐形传态，Zeilinger还培养出了潘建伟这样的量子领军人。2017年，中国北京和奥地利维也纳基于“墨子号”量子通信卫星进行了电话安全加密的第一次现场演示。

但是奥地利认为，“墨子号”这样大规模的项目需要大量的财政和时间资源。因此，奥地利IQOQI选择与法国合作开发NanoBob立方星，同时还有一个尺寸更小的3U立方星Q³Sat。

在亚洲，日本信息通信研究机构于2017年9月宣布首次用超小型卫星成功进行了量子通信实验，但这颗名为“苏格拉底”的卫星并非量子通信卫星。印度初创公司QNu Labs与印度国家空间促进和授权中心签署谅解备忘录，开发本土QKD产品。

如今，量子通信卫星已经不局限于学术研究，在商业化方面也具备了可行性。

目前，光纤QKD在城域范围已经能够保证信息安全，但长距离QKD是一个挑战，100公里以上的QKD通常需要中继器(2020年中国实现了500公里无中继光纤QKD实验)，比如总长超过2000公里的京沪干线采用了32个中继节点。

但可信中继是“经典的”，仍有被攻击的风险。这时候的一种解决方案是量子中继，通过这种方式，单个光子可以在不改变其状态的情况下被存储、传输和操纵，但这种技术仍处于初级阶段，远未准备好用于实际应用。

还有另一种可行的解决方案，即利用卫星通过自由空间光链路向地面站分发安全密钥。传播损耗在光纤中呈指数级扩展，在自由空间中仅呈平方级扩展。例如，慕尼黑和柏林之间的600公里光纤链路的名义损耗为120dB（假设非常乐观的损耗为0.2dB/km），这使得QKD链路不可行。在合理孔径条件下，低轨卫星(LEO)可以实现600公里的自由空间链路，损耗为50dB，这在目前的QKD协议中是可以接受的。

一个由地面站和卫星组成的全球QKD网络，利用激光发送安全密钥，可以弥补光纤QKD的缺陷。而且，由于密钥可以被分发和存储，供之后在密钥管理系统中使用，因此这样的系统不必过多地考虑天气条件。

全球量子通信网络路线图。将使用光纤创建市内城域网，量子中继器可以连接城域网，远程和洲际量子通信将通过卫星量子信道实现。

这一层面上，中国团队也早有布局。

之前的工作中，研究团队利用“墨子号”卫星演示了星-地QKD和卫星中继的洲际量子网络：“墨子号”作为一个可信的中继站，方便地连接地球上的任何多个点，形成一个高安全的密钥交换网络。2017年，成功地进行了卫星到乌鲁木齐附近的南山地面站和维也纳附近的奥地利格拉茨地面站的QKD实验，最终密钥长度实现400-833 kbits。

三个合作地面站（格拉茨、南山\兴隆）图示。列出了用于密钥生成的所有路径以及相应的最终密钥长度。

演示中，兴隆和格拉茨之间建立了一个100kB的安全密钥。大约10kB的密钥被用来从北京到维也纳传输一张“墨子号”的图片（大小为5.34kB），以及使用一次一密从维也纳到北京传输一张薛定谔的图片（大小为4.9kB）。另外70kB的安全密钥与高级加密标准-128协议相结合，用于北京和维也纳之间75分钟的视频会议，总数据传输量约为2GB。

2020年6月，潘建伟团队宣布“墨子号”卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。2021年1月，该团队宣布建成跨越4600公里的天地一体化量子通信网络。此外，利用卫星还可以进行更大空间尺度上纠缠分发的量子实验：如测试量子力学和广义相对论、广域量子安全高精度光学时频传输、高轨道卫星开发光学时钟等。

2023年3月，记者采访时潘建伟院士还透露，中国正在研制中高轨量子卫星。潘建伟说道：“我们正在与国家空间科学中心合作，研制一颗中高轨卫星，未来高轨卫星和低轨卫星结合，将建成广域量子通信网络。”

这些里程碑事件激励世界各国纷纷加速推进“量子卫星”项目。

如今，随着“济南一号”等卫星接连被发射升空、预计进行实时卫星对地QKD实验，朝着低成本、实用的量子卫星星座将迈出重要一步。

参考链接：

[1]https://uwaterloo.ca/news/science/connecting-canada-and-europe-through-quantum-satellite?utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_campaign=news

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/b4v4SRcS_yc4oZZVarSzAA

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/ZGzOBHwJ8AlAPd6OS_YK6w

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