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：AQuantum Communications in SpaceCHEN 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 deliver1 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。

但在现有的空间光第1期 (总第11期) 光 子 技 术 37 通信技术和硬件条件下，这些设想是否能够实现呢？下面将就这个问题展开讨论。

2.2.1 实现空间量子通信的必要条件为了实现在空间中进行量子通信的设想，系统必须至少具备下述硬件：一个发射终端，一个或多个接收终端用于单光子操作和检测，以及一个用于光子转发的中继模块。

一个发射终端由光子源（产生单光子或纠缠光子对）、用于与接收端保持同步的计时模块、一个经典通信信道、以及相应的光学发射模块（如衰减片、起偏器、光学天线等）组成。

现有的单光子源为泊松激光器，它所发出的激光是经过高度衰减的弱激光脉冲，并不是严格的单光子源。

泊松激光源已经广泛地应用于现有的基于单光子的量子密钥分配实验当中，并且获得了成功[3-5]。

但因为它还不是严格意义上的单光子源，因此增加了信息被窃听的可能性。

但通过对量子通信协议的修改，可以有效地降低由光子源引起被窃听的风险[6]。

而现有的纠缠光子源,是基于自发参量下转换过程。

这项技术极有可能通过改进缩小其模块的体积达到星上平台的要求。

一个接收端包括一个或多个光学输入信道，每个信道都允许独立地对量子比特（Qbit ）进行操作，如对光子偏振特性的旋转操作，或干涉相位的调制。

此外，接收端的每个输入端口还必须配备单光子探测器、一个同步计时模块、以及一个与发射端通信的经典通信信道。

其中与发射端通信的经典通信信道可以由现有的微波或者经典光波通信来提供。

可用作单光子探测的器件有很多，如光电倍增管（PMT ）、雪崩二极管（APD ）、增强型光电极管（IPD ）以及真空二极管（V APD ）等。

因为单光子探测器所探测的目标是一个个的光子或者高度衰减的脉冲激光，其工作信号强度接近量子极限，极易被噪声所淹没。

因此现有的单光子探测器为了降低噪声的影响，一般都要求在低温下工作，这就增加了系统的复杂程度和体积。

因此，能够在接近常温条件下工作的单光子探测器是将来的一个发展方向。

同时，现在已经商用的自由空间和光纤光通信探测器基本是硅材料制成的。

这种探测器的光谱响应只能到800nm 左右，如表1所示。

而对于另一已经用于空间光通信的、并且有很多潜在优势的波段——1500nm 波段，其对应的探测器是由锗及其化合物制成的，如表1所示。

这种材料的探测器目前的制造和应用都还相当有限。

因此随着量子通信的急速发展，对单光子探测器的研究将从两个方面进行：一方面对探测器件本身的结构、材料和生产工艺进行改进和提高，以便研究出结构更加合理、性能更加稳定、响应频段更加丰富的探测器件；另一方面将对探测器的外围控制驱动电路进行改造，以达到在常温或者接近常温条件下进行单光子探测的目的。

表1 几种高灵敏度的光电探测器比较 探测器工作波段（nm ）主要应用波段（nm ）量子效率 Si-PMT500～1050 600～800 30％ Si-APD350～1100 600～800 85％ Ge-APD500～1820 1310，1500 75％ InGaAs-APD 800～1750 1310，1500 80％中继模块的作用是对接收到的量子比特进行操作或转发，但是不对它们进行测量。

它可以由一个简单的光子回射器或者更复杂的中继卫星（例如在深空通信任务中）来担当，这样光子在地面站和深空卫星之间所建立的量子信道将变得透明化。

这里需要强调的是，量子通信中的中继模块并没有放大器的作用。

这是量子通信系统的一个特点，也是由量子力学的规律——量子不可克隆定理的结果。

2.2.2 链路分析上一节分析了空间量子通信系统的硬件组成和需求。

而要实现空间量子通信设想的另一个重要方面就是链路需求分析。

下面作者将对这种通信系统所涉及的通信链路需求进行分析。

一个星间或者星地链路的接收功率P r 可以可以简化表示为 [7]：r t t t d r r P P G L G ηη=⋅⋅⋅⋅⋅（1） 式中, P t 为发射功率,t η为发射机效率,r η为接收机效率, G t 为发射天线增益, G r 为接收天线增益, L A 为空间损耗因子。

按照现有的器件水平和实际情况，我们假设，一个星-地链路的通信距离L ＝1000km （LEO －地），发射机和接收机的光学透过率均为0.8，星上端机的天线口径取0.3m ，地面站端机的天线口径取1m ，链路的功率需求，如表2所示。

38 光 子 技 术 2006年3月其中L s为自由空间损耗，A a为总大气衰减。

表 2 星-地光链路功率需求表λ＝0.8μm λ＝1.5 μm上行链路下行链路上行链路下行链路tη -1dB -1dB -1dB -1dBG t134 dB 123.5 dB 128.5 dB 118 dBL s-264 dB -264 dB -258.5dB -258.5dBA a -7.5～-17.5 dB -7.5～-17.5 dB -5～-10dB -5～-10dBG r121.4 dB 132 dB 116 dB 126.4 dBrη-5 dB -2 dB -5 dB -2 dB总链路衰减 -22.1～-32.1dB -19～-29dB -25～-30 dB -22.1～-27.1 dB从上表中可以看出，对800nm和1500nm波段来说，LEO－地光链路的最大链路衰减都不超过30dB。