7月6日，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陆朝阳、曹原应邀在国际物理学权威综述期刊《现代物理评论》[1]（Review of Modern Physics）上发表了题为“基于‘墨子号’卫星的空间量子实验”（Micius quantum experiments in space）的长篇综述论文。

　　此论文是潘建伟团队在该期刊上继2012年的《多光子纠缠和干涉度量学》[2]、2020年的《基于现实器件的安全量子密钥分发》[3]之后的第三篇综述论文。

　　利用量子力学原理可以解决数百年来困扰数学家们的信息安全问题。Stephen Wiesner率先在20世纪70年代提出利用量子二态系统、共轭编码设计难以伪造的量子货币；20世纪80年代，Charles Bennett和Gilles Brassard提出了首个可行的量子密钥分发（QKD）协议——BB84，这是一种无条件安全的加密方法。

　　因此，对于长距离通信（几百到几千公里），卫星到地面的自由空间信道将比基于光纤的信道在损耗方面更有优势

　　使用基于卫星的自由空间信道可以视为将量子实验的空间尺度从几米扩展到几千公里（或更大量级），这将使我们能够在更大的长度尺度上探索量子世界的本质。

　　卫星到地面的诱骗态（decoy state）QKD速率达千赫兹、距离达1200公里，以及北京到维也纳的洲际密钥交换；

　　单个粒子和纠缠的双粒子状态都可以应用于QKD。单粒子状态代表准备和测量方案，如BB84协议中Alice以两个互补基的四个状态之一发送每个量子比特；基于纠缠的QKD包括Ekert91等方案，其中纠缠的量子比特对被分配给Alice和Bob，然后通过测量各自的量子比特提取关键比特，其中每一方测量两个互补基中EPR对的一半。

　　量子加密协议。（a）BB84协议。协议目的是让发送方（Alice）通过传输单光子向接收方（Bob）发送一个密钥，将信息编码在量子态中。利用光子的四种偏振态，跨越两个基点（如，水平偏振H⟩、垂直偏振V⟩、对角线°⟩，以及对角线°⟩）。信息编码中，用H⟩和-45°⟩代表比特0，V⟩和45°⟩代表比特1。操作步骤：1）Alice选择一组比特序列，随机编码将这些比特编码在光子偏振中；2）Alice将光子发送给Bob；3）Bob随机选择方案测量状态并获得原始密钥；4）Bob通过经典信道传播他对光子测量的选择；5）Alice对他们用于每个光子的编码和测量的相同/不同结果作出肯定/否定回答；6）他们放弃使用不同基础事件，保留剩余的数据作为私钥。注：步骤2）中的任何窃听都可以在这个最后检查中被发现。（b）Ekert91协议：通过分配EPR对在Alice和Bob之间共享秘钥。具体步骤为：1）Alice和Bob首先分享一个纠缠光子对；2）Alice和Bob收到光子后，随机、独立地选择测量基数；3）测量并登记一系列光子对。之后，公开所使用的测量基数，同时对结果保密；4）使用相同角度的测量结果作为原始密钥，并将其他结果用于贝尔不等式测试；5）如果违反了贝尔不等式，就排除窃听；否则，丢弃所有密钥。

　　1995年，英国电信实验室团队利用相位编码在10公里长的光纤上演示了量子密码；后来扩展到30公里，错误率为4%；后来，一个瑞士团队利用偏振编码，在1.1公里的光纤上成功测试量子密码学。

　　为克服光子在光纤中传输过程中随时间变化的偏振现象，研究在真实世界环境中使用已安装的光纤进行实地测试。1992-2000年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）使用Bennett协议在14公里长的地下光纤上进行量子密钥分发，错误率为1.2%；同一团队后来将这个距离增加到48公里，错误率为9%。

　　不过，这些早期QKD并不能用于现实设备。另一种传播介质——自由空间（free space），具有可忽略的双折射优势，因此允许光子偏振状态的高保线年，Jacobs和Franson首次尝试在150米长的走廊上用荧光灯照明，在明亮的日光条件下室外传输距离超过75米；进一步的实验将这项工作扩展到室外环境，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）的距离上对衰减的激光脉冲进行点对点自由空间传输。

　　这些初步测试表明，自由空间传输中的信噪比可以通过检测时间、窄频滤镜（narrow band filters）和空间滤波（spatial filtering）的组合来改善。

　　Ekert（1991）提出了基于纠缠的量子密码学，使用贝尔不等式来建立安全性。除了在量子密码中应用，纠缠分发也可用于基础研究：如，贝尔不等式检验、量子传送、分布式量子网络、计量学等量子信息任务。

　　（a）利用自发参量下转换产生纠缠光子对的实验装置（Kwiat等人，1995）；（b）首次在360米距离实现完全基于纠缠的量子密码。在351nm激光器的泵浦下，β-硼酸钡（BBO）晶体在波长702nm处产生纠缠光子，双光子重合率为～1700Hz。这些光子被耦合到500米长的光纤中，并分别传输给物理上相距360米的Alice和Bob。

　　随后，量子隐形传态也被扩展到两个光子的复合状态、多个自由度、以及单个光子的更高维度。除了光子，量子隐形传态在其他物理系统中也得到了证明，如核磁共振、原子集、捕获原子和各种固态系统中。在纯物质系统（如捕获原子）中，远距离传输只在原子间短距离进行；扩大传送距离的方法之一是开发光-物质量子领域。2009年，利用光到物质的远距传输，光量子比特得以存储在静态介质中，这对于构建基于量子中继器方案的可扩展量子网络至关重要。

　　量子隐形传态可以理解为是一种概率性的量子无损测量方法，可以作为量子relay（没有量子存储器的量子中继器的简单版本）加以利用，能够适度延长量子通信距离。

　　参与者的目的是评估真实系统与理想系统的偏差，从而建立现实设备QKD的实际安全性。2000年，提出了著名的量子黑客策略——光子数分离（PNS）攻击，由于来自准单光子源的脉冲中偶尔会有两个相同的光子事件，PNS攻击允许黑客选择性地抑制单光子信号和分割双光子信号，为自己保留一份信号而不被Alice和Bob发现。由于这个漏洞，光纤中QKD的安全距离被限制在10公里。

　　为解决这个问题，理论上提出了诱骗态QKD，已在实验中得到了证明。如今，诱骗态QKD已经成为实验中的标准技术。随后，理论和实验上提出了与测量设备无关的QKD，消除了检测系统的所有安全漏洞，并允许QKD网络在非信任中继下是安全的，足以对抗任何检测器的缺陷。至此，将与测量设备无关的QKD与具有自校准的自制光源相结合的量子密码系统被认为在理论上足以满足所有实际QKD应用

　　2）远距离传输小规模量子通信实验后，存在以下问题：什么限制了量子通信的距离？在光纤和地面自由空间通道中都有不可避免的光子损耗，这种损耗随着光纤传输长度的增加而呈指数级增长。

　　例如，在1000公里处，即使有10GHz的完美单光子源、理想的光子探测器以及微弱的光纤损耗，人们平均也只能检测到0.3个光子。经典通信中有可能放大0和1的信号；然而，未知的量子叠加态不能无噪声地被放大——这被称为“量子不可克隆定理”。

　　延长量子通信距离的一个策略是“分而治之”。与只对经典比特起作用的经典中继器不同，量子中继器结合了纠缠交换（entanglement swapping）、纠缠纯化（entanglement purification）和光存储，原则上可以实现任意尺度的量子通信。量子中继器扩展量子通信距离背后的关键机制是将光子损耗的指数比例改为与信道长度相关的多项式关系。

　　事实上，量子传送和纠缠互换可以被认为是概率性量子无损测量的方法，可以利用它来延长量子通信的距离：最多可延长4倍。根据数值分析，实现1000公里量子中继器需要的参数仍然远超最先进的技术，

　　因此，为了充分利用自由空间链路的优势，有必要发展空间和卫星技术。此外，大气的有效厚度约为5-10公里，光子的大部分传播路径位于空旷空间，这对于传输无法放大的单个光子至关重要。

　　光纤和自由空间信道中的典型损耗。光纤的衰减参数为∼0.2dB/km。自由空间信道的参数基于“墨子号”卫星设计，在∼70公里距离上显示出优势。

　　2016年8月16日，卫星由“长征二号丁”（Long March 2D）火箭在中国酒泉卫星发射中心成功发射

　　实验控制箱有六个主要功能：实验过程管理、随机数生成和存储、诱骗态光子源调制、同步脉冲记录、QKD后处理（包括原始密钥筛选、错误校正和隐私放大以获得安全最终密钥）和加密管理。两个发射器都包含一个望远镜和一个光学箱。为了减少发射损失，发射器2采用了离轴（off-axis）望远镜设计，专门用于将量子纠缠从卫星分发到两个独立的地面站。

　　“墨子号”卫星主要有效载荷。（a）“墨子号”卫星发射前的照片；（b）发射器1，用于量子密钥分发、纠缠分发和隐形传态；（c）发射器2，专门设计用于纠缠分发；（d）实验控制箱；（e）纠缠光子源。光学箱主要包括一个跟踪系统、一个用于采样测量的集成接收模块，以及一个用于偏振校正的电动波片组合。两个发射器都包含一个多级APT系统：第一阶段涉及卫星高度控制，系统保持光子指向地面站，误差小于0.5°；第二阶段是粗控制环路，涉及发射机1的两轴万向节反射镜和发射机2的二维可旋转望远镜；第三阶段是精细控制环路，涉及由压电陶瓷和摄像机驱动的快反镜（FSM）。APT控制箱的重量为10公斤，主要包含粗跟踪环路和细跟踪环路的控制电子装置，功能具体为电机驱动器、快反镜（FSM）驱动器、粗反馈环路控制器和细反馈环路控制器。

　　为了与卫星协调，需要建立新的地面站或对现有的地面站进行升级。中国总共有五个地面站：其中四个通过下行信道接收，一个通过上行信道发射，它们分别是：中国国家天文台兴隆观测站的1米口径望远镜（升级改造），用于卫星到地面的QKD；云南天文台丽江观测站的1.8米口径望远镜（升级改造），用于纠缠分发实验；新疆天文台南山观测站直径2米的望远镜（新建），用于纠缠分发和QKD实验；中国科学院紫金山天文台青海观测站直径1.2米的望远镜（新建），用于纠缠分发和QKD实验；位于西藏阿里的发射站有三台小型发射望远镜，专门用于从地面到卫星的量子隐形传态实验。

　　“墨子号”卫星的典型接收地面站。（a）两轴云台望远镜（Two-axis gimbal telescope）；（b）信标光和粗跟踪相机（coarse camera）；（c）光接收器盒；（d）接收器的典型光学设计，包括接收望远镜、ATP系统和QKD探测模块。

　　“墨子号”卫星发射后，第一个目标是建立空间-地面量子链路，进行卫星到地面的QKD。卫星每天在当地时间午夜，以太阳同步轨道通过每个地面站，持续时间约为5分钟。

　　星地量子密钥分发在一个轨道上的性能。（a）在兴隆地面站测量的“墨子号”卫星轨迹；（b）根据从卫星到站点的时间、物理距离筛选密钥速率；（c）观察到的量子误码率。（d）卫星和地面之间不同距离的下行信道衰减；（e）23天不同时间获得的QKD数据汇总。x轴是最短的卫星到站点间距离（发生在最高仰角，并且随时间变化），y轴是平均筛选密钥率。

　　长距离纠缠分发对于量子物理学基础性测试、可扩展量子网络都至关重要。然而由于信道损耗，以前实现的距离被限制在300公里以内。这主要是由于信道（光纤/地面自由空间）中的光子损耗，通常与信道长度成指数关系。例如，使用10MHz计数率的纠缠光子对直接通过两根600公里的电信光纤（损耗为0.2dB/km）进行双向分发，最终只能获得10-17/s的双光子重合事件。

　　（a）从卫星到青海、丽江的典型两条下行信道，在每个轨道上持续约275秒。卫星到青海的距离从545到1680公里不等；卫星到丽江的距离从560-1700公里不等，两个下行信道的总长度从1600到2400公里不等。（b）使用高强度激光和纠缠光子结合，测量一个轨道上的两个下行信道衰减。当卫星刚刚达到丽江站观测到的10°仰角时，在2400公里的总距离上，最大损耗为82dB。由于其望远镜（最大）直径为1.8米，因此比其他台站具有更高的接收效率；当卫星以15°以上的仰角飞越丽江时，信道损耗相对保持稳定（从64-68.5dB）。为了完成纠缠分发，位于青海、乌鲁木齐南山和云南丽江观测站的三个地面站正与卫星合作，“墨子号”和这些地面站间的距离从500-2000公里不等。卫星每秒用两个望远镜发射5.9×106个纠缠光子对，在发射器和接收器中设计了级联的多级闭环APT系统，同时建立两个独立的卫星-地面量子链路。使用卫星上的激光器，可以实时测量两个下行链路的整体信道衰减，其范围从64-82dB。与普通商业电信光纤直接传输同一双光子源的纠缠分发相比，在275秒的覆盖时间内，基于卫星的有效链路的传输距离高17（12）个数量级。

　　2020年，科学家在相隔1120公里的青海和南山地面站之间进行了一次实验，使用效率更高的望远镜和光学器件，QKD接收效率得到了极大提高。由于基于纠缠的QKD的源无关性，该系统对源中的任何漏洞都免的，剩下的就是确保两个地面站的检测安全。在实验中，科学家通过对不同自由度的过滤，包括频率、空间和时间模式，确保了公平采样的有效性。通过在226秒的有效收集时间内进行1021次贝尔测试，可以认为该系统是安全的。

　　基于纠缠的量子密钥分发实验装置。（a）“墨子号”卫星和两个地面站的图示；（b）-（d）对侧信道进行监测和过滤；（b）宽带和窄带滤波器传输；（c）具有/不具有盲攻击（blinding attack）的监测电路输出。在没有盲攻击时，输出是随机的单光子探测信号（黑点）；对于盲目攻击（从0.2毫秒开始），输出信号约为2伏，高于安全阈值进而触发安全警报；（d）空间中四种偏振的系统检测效率：对于空间滤波器，四种效率相同。

　　“墨子号”卫星的第三个任务是将单个光子从阿里的观测站向卫星进行量子隐形传态，这是一个上行链路。与之前的下行链路相比，上行链路远程传输实验有两个额外的挑战：首先，单光子的远距离传输需要一个多光子干涉仪，其巧合计数率比典型的单光子/双光子实验低几个数量级；其次，上行信道的大气湍流发生在传输路径的开始阶段，这会增加行进光束的扩散量。最终，远程传输实验的保线。

　　“墨子号”卫星可以被进一步利用，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。

　　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。

　　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。

　　“墨子号”卫星也为测试由地球引力引起的纠缠退相干提供了可行性。量子力学和相对论构成了现代物理学的基石：广义相对论预测了一种被称为封闭时间曲线（CTC）的奇异时空结构，CTC违反了因果关系，原则上可以由时空本身的量子波动形成。为了从理论上描述包含CTC的异域时空和普通时空的量子场，事件形式（event formalism）理论预测，量子场的不同演化会概率性诱发两个纠缠光子通过弯曲时空的不同区域的时间去向，这在标准量子理论中能够保持纠缠。

　　如今，空间量子实验的国际竞赛正在开展，许多量子通信卫星项目已被批准。例如，自2010年以来，加拿大的QEYSSat项目一直由加拿大航天局研究，它在2017年、2019年分别获得150万美元、3000万美元的资金。其任务概念是与霍尼韦尔航空航天公司合作开发量子上行链路；2020年，Oberhaus报告NASA计划建立一个量子卫星链接——Marconi 2.0，希望在2020年代中期至晚期在欧洲和北美间建立一个天基量子链路。

　　除了“墨子号”，还有其他量子卫星计划。（a）加拿大量子加密和科学卫星项目；（b）“立方星”（3U CubeSat），涉及新加坡国立大学一个小组开发的纠缠光子源；（c）法国和奥地利的研究人员提出了基于“立方星”的任务概念Nanobob；（d）“立方星”量子通信任务（CQuCoM）由一个联合研究团队共同承担。

　　目前基于卫星的量子通信任务的主要缺点之一是，它们只在夜间工作，这大大限制了实际应用。

　　对于低地球轨道卫星，考虑小型、低成本的QKD有效载荷是经济的：可以组装在不同大小的卫星上，如微型卫星和空间站。2017年，科学家尝试开发了一个从天宫二号空间实验室到南山地面站的空间-地面QKD的小型有效载荷。这个57.9公斤的有效载荷集成了一个跟踪系统、一个QKD发射器以及同步模块和一个激光通信发射器。在空间实验室中，50兆赫的真空和弱诱骗态的光源通过一个孔径为200毫米的反射式望远镜被发送，在实验中通信距离在388-719公里之间，QBER为1.8%，建立量子信道时，最终密钥率为∼91bits/s。

　　天宫二号空间实验室到地面的量子密钥传递示意图。（a）空对地量子密钥分发；（b）诱骗态QKD发射器示意图；（c）配备1200毫米孔径望远镜的南山地面站中的诱骗态QKD解码器示意图。LA1，绿色激光（532nm）；CAM1，粗跟踪相机；CAM2，精跟踪相机；LD，激光二极管；RLD，基准激光二极管；FSM1，快速转向镜；HWP，半波片；极化器；偏振分束器；BS，分束器；ATT，衰减；LA2，红色激光（671nm）；CAM3，精跟踪相机；CAM4，粗跟踪相机；CPL，耦合器；DM，二向色镜；中频，干扰滤波器；FSM2，快速转向镜；BE，扩束器；SPD，单光子探测器。像“天宫二号”中使用的紧凑、低成本的有效载荷可以被组装在不同大小的卫星上，以构建基于卫星星座的量子网络。对于实际的空地一体化量子通信网络，用户的数量远远大于QKD有效载荷，“墨子号”卫星的典型地面站对于更多用户的大规模应用来说过于庞大、沉重。应重新设计地面站，使其更小、更轻、更便宜，以满足实用量子星座的要求。2022年，科学家在中国多个城市验证了使用紧凑型地面站（小于100公斤，直径280毫米）验证卫星-地面QKD的可行性。

　　平台声明：该文观点仅代表作者本人，搜狐号系信息发布平台，搜狐仅提供信息存储空间服务。