量子通信技術(shù)探索及其在航天領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用研判

趙 興，程向麗，金紅新，孔志杰，王 沛

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

0 引 言

量子力學(xué)與相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。隨著量子力學(xué)的蓬勃發(fā)展，特別是原子的激光冷卻等微觀調(diào)控技術(shù)的突破，極大地提升了人類處理信息的能力，引發(fā)了以疊加態(tài)和糾纏態(tài)為主要技術(shù)特征的第二次量子科技浪潮。量子通信技術(shù)作為量子信息的3大核心技術(shù)之一，將對未來信息的安全傳輸產(chǎn)生顛覆性影響。航天工業(yè)技術(shù)水平不僅可以衡量一個國家的國際地位，而且可以引領(lǐng)和帶動其他領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。將量子通信技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域，具有極其重要的意義。

1 技術(shù)內(nèi)涵

量子的性質(zhì)包括量子疊加態(tài)、量子相干、量子糾纏以及量子不可克隆。量子通信是一種利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行量子態(tài)信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞絒1]，理論上具有安全、超大信道容量以及超高通信速率等特點。

目前，量子通信系統(tǒng)的通信方式主要有量子密鑰 分 發(fā)（Quantum Key Distribution，QKD）、 量 子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation，QT）以及量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC）3種。

QKD先共享安全密鑰，再與傳統(tǒng)信道結(jié)合，完成信息的加密、解密和傳輸，是目前量子通信系統(tǒng)中工程化最高的技術(shù)。QT基于通信雙方的糾纏光子分發(fā)（信道建立）、貝爾態(tài)測量（信息調(diào)制）以及幺正變換（信息解調(diào)）實現(xiàn)，量子態(tài)信息的解調(diào)則需在傳統(tǒng)信道輔助下完成。QSDC與QKD的區(qū)別在于，QSDC不需要事先共享安全密鑰，能直接傳遞秘密信息[2]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高品質(zhì)單光子/EPR糾纏對制備

高品質(zhì)單光子源作為量子通信的理想信號源，目前還沒有制造形成。試驗常采用衰減弱相干光的方法，其中包含純度不高的單光子和多光子脈沖，容易由多光子攻擊產(chǎn)生安全漏洞。因此，需研究高純度、高全同性以及高效率的單光子源設(shè)備。

量子糾纏是傳輸信息的一種加密技術(shù)。不同粒子系統(tǒng)中，糾纏可分為多種類型，如兩粒子系統(tǒng)的BELL態(tài)、三粒子系統(tǒng)的GHZ態(tài)和W態(tài)、多粒子系統(tǒng)的GHZ態(tài)和W態(tài)等。目前，腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)、非線性光學(xué)系統(tǒng)及離子阱系統(tǒng)等已經(jīng)能制備量子糾纏態(tài)[3]。

量子糾纏態(tài)在非線性光學(xué)系統(tǒng)中利用自發(fā)參量實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。原理上，發(fā)射一個光子到非線性晶體上，該光子會分裂成兩個能量減半的光子。通過正確放置鏡片，使發(fā)射的光子朝相反的方向傳播，粘接異型晶體形成一個整體，對該整體發(fā)射一束水平和垂直混合態(tài)偏振光，從而得到一對EPR的光子，使射出光子處于水平偏振和垂直偏振的疊加態(tài)，執(zhí)行分發(fā)和傳輸?shù)炔僮鱗4]。利用晶體中的非線性過程制備多光子糾纏態(tài)時，光子數(shù)越多，難度越大。

2.2 量子態(tài)中繼和存儲技術(shù)

光子在自由空間和光纖中的傳輸存在損耗，其強(qiáng)度隨距離增大呈指數(shù)衰減。經(jīng)典通信中，通過中繼器放大信號能解決該困難，而量子不可克隆，無法直接這樣處理，只能采用基于糾纏交換技術(shù)的量子中繼[5]。通過量子中繼為通信雙方建立連接，中繼站本身不存儲數(shù)據(jù)，僅存儲一些中間量子態(tài)，對竊取信息毫無用處，故不存在泄露問題。但是，目前中繼水平法完全脫離經(jīng)典信道，仍需繼續(xù)研究。

量子中繼設(shè)計需要考慮糾纏交換、糾纏鈍化以及量子存儲等。其中，量子存儲能存儲量子比特，量子糾纏可解決部分存儲不完美現(xiàn)象。目前，量子態(tài)存儲的各種技術(shù)方案，如氣態(tài)冷原子系綜和稀土離子摻雜晶體等，在存儲時間、保真度、存儲容量以及效率等指標(biāo)上都各有優(yōu)劣，但都不能同時滿足全部指標(biāo)要求[6]。因此，量子存儲和量子中繼技術(shù)仍有待研究和突破。

2.3 單光子探測技術(shù)

單光子探測器是量子通信系統(tǒng)的核心，能直接影響量子通信的通信距離、成碼率、誤碼率以及安全性等，具體體現(xiàn)在暗計數(shù)和探測效率等指標(biāo)上。目前，常見的探測器件包括雪崩光電二極管、光電倍增管、電荷耦合器件、超導(dǎo)探測器以及量子點探測器等。由于實際器件無法滿足理想條件，因此仍需繼續(xù)研究，逐漸逼近理論上的絕對安全。

2.4 自由空間天地量子通信應(yīng)用技術(shù)

由于光纖受衰減影響，在無量子中繼的情況下，光纖量子通信的有效距離，只有幾百千米。光子在大氣中有衰減，在太空中無衰減，不僅能克服地表曲率，而且不存在雙折射效應(yīng)。因此，基于人造衛(wèi)星和空間站等空間平臺中轉(zhuǎn)的自由空間天地量子通信技術(shù)切實可行。

以衛(wèi)星為例，衛(wèi)星和地面站始終處于高速相對運動中。在姿態(tài)變動和振動影響的情況下，建立高效穩(wěn)定的量子信道需要天地鏈路高精度跟蹤和精確指向。衛(wèi)星根據(jù)地面站點位計算大致方位，將捕獲相機(jī)指向地面站捕獲上行的信標(biāo)光，隨后衛(wèi)星瞄準(zhǔn)地面站，發(fā)射發(fā)散角較小的下行信標(biāo)光，地面站探測到來自衛(wèi)星的信標(biāo)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。雙方均跟蹤對方視軸后，衛(wèi)星平臺發(fā)射量子光。由于終端間高速運動帶來的超前偏差，因此將量子光瞄準(zhǔn)接收端[7]。

為提取有效信號需校準(zhǔn)兩端鐘差，實現(xiàn)時間同步。一般采用艾丁頓時間同步，通過將時鐘的同步脈沖發(fā)送至地面，由地面根據(jù)同步脈沖實現(xiàn)時間同步。天地間在高速運動，需根據(jù)相對位置實時補償多普勒效應(yīng)和時間抖動帶來的影響，其補償效果取決于通信雙方對天地間相對運動估算的準(zhǔn)確程度。

3 航天領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用研判

3.1 加強(qiáng)量子通信航天領(lǐng)域融合探索

首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”是量子通信在航天領(lǐng)域融合探索的典型應(yīng)用。航天技術(shù)的發(fā)展為量子通信的試驗探索和全球化通信目標(biāo)的實現(xiàn)提供了強(qiáng)大助力，量子通信技術(shù)的發(fā)展也反過來促進(jìn)了航天技術(shù)更新?lián)Q代，同時也會引領(lǐng)并帶動各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，具有極其重要的意義。

3.2 推進(jìn)核心器件國產(chǎn)化進(jìn)程

目前，高性能的量子通信核心器件如量子光源、單光子探測器以及量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等主要依賴于進(jìn)口，無法擺脫國外制約，自主發(fā)展受限，無法保證量子通信系統(tǒng)的安全性。因此，需要重視基礎(chǔ)元器件和關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)，注重創(chuàng)新，推進(jìn)核心器件國產(chǎn)化進(jìn)程。

3.3 以QKD技術(shù)為先導(dǎo)牽引工程化探索

量子通信技術(shù)中，QKD技術(shù)走在前列。實踐證明，QKD與實際應(yīng)用的融合，大幅提升了通信安全性，現(xiàn)已進(jìn)入工程研究和應(yīng)用推廣階段，未來必將應(yīng)用到太空的星間量子通信、全天候的空間量子通信以及星載量子存儲等方面。量子通信的探索與試驗離不開航天平臺，因此需加快航天工程化探索，以成熟度最高的QKD技術(shù)為先導(dǎo)，加強(qiáng)研究其與傳統(tǒng)光通信基礎(chǔ)技術(shù)和產(chǎn)品的融合，豐富QKD網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升安全性、可靠性以及有效性，同時兼顧對QT和QSDC等其他量子通信技術(shù)的探索，推動量子通信技術(shù)進(jìn)步與航天工程化應(yīng)用。

3.4 構(gòu)建量子通信航天應(yīng)用研制與試驗標(biāo)準(zhǔn)體系

量子通信技術(shù)屬于前沿技術(shù)的研究范疇，部分關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破或發(fā)展成熟，但可預(yù)判其會對航天和軍事等各方面產(chǎn)生重要影響。因此，在工程化探索過程中，研究量子通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系簇，充分借鑒傳統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研制并試驗標(biāo)準(zhǔn)子體系，完成量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)的推廣應(yīng)用，對提升我國航天網(wǎng)絡(luò)安全防御能力具有重要意義。

3.5 量子通信系統(tǒng)安全與對抗性能仍需持續(xù)攻關(guān)

量子通信在原理上是無條件安全的，極大的降低了信息被竊聽的可能性。目前，受技術(shù)等方面的限制，很多理論條件無法滿足，導(dǎo)致仍能被竊取信息。因此，在深入研究與探索技術(shù)本身的基礎(chǔ)上，需要持續(xù)加強(qiáng)實際量子通信系統(tǒng)的安全性能與對抗性能[8]。

4 結(jié) 論

量子通信技術(shù)會對航天和軍事等各領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響，因此要緊扣技術(shù)的更迭變化，抓住機(jī)遇，將量子通信技術(shù)與航天領(lǐng)域融合應(yīng)用，從而掌握并建立滿足未來需求的航天量子通信核心技術(shù)體系。