量子通信技術探索及其在航天領域的發展應用研判

趙 興，程向麗，金紅新，孔志杰，王 沛

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

0 引 言

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

1 技術內涵

量子的性質包括量子疊加態、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和糾纏效應進行量子態信息傳輸的通信方式[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，量子通信系統的通信方式主要有量子密鑰 分 發（Quantum Key Distribution，QKD）、 量 子隱形傳態（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，再與傳統信道結合，完成信息的加密、解密和傳輸，是目前量子通信系統中工程化最高的技術。QT基于通信雙方的糾纏光子分發（信道建立）、貝爾態測量（信息調制）以及幺正變換（信息解調）實現，量子態信息的解調則需在傳統信道輔助下完成。QSDC與QKD的區別在于，QSDC不需要事先共享安全密鑰，能直接傳遞秘密信息[2]。

2 關鍵技術

2.1 高品質單光子/EPR糾纏對制備

高品質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備。

量子糾纏是傳輸信息的一種加密技術。不同粒子系統中，糾纏可分為多種類型，如兩粒子系統的BELL態、三粒子系統的GHZ態和W態、多粒子系統的GHZ態和W態等。目前，腔量子電動力學系統、非線性光學系統及離子阱系統等已經能制備量子糾纏態[3]。

量子糾纏態在非線性光學系統中利用自發參量實現轉換。原理上，發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，對該整體發射一束水平和垂直混合態偏振光，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，執行分發和傳輸等操作[4]。利用晶體中的非線性過程制備多光子糾纏態時，光子數越多，難度越大。

2.2 量子態中繼和存儲技術

光子在自由空間和光纖中的傳輸存在損耗，其強度隨距離增大呈指數衰減。經典通信中，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據，僅存儲一些中間量子態，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典信道，仍需繼續研究。

量子中繼設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象。目前，量子態存儲的各種技術方案，如氣態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上都各有優劣，但都不能同時滿足全部指標要求[6]。因此，量子存儲和量子中繼技術仍有待研究和突破。

2.3 單光子探測技術

單光子探測器是量子通信系統的核心，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，具體體現在暗計數和探測效率等指標上。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用技術

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。因此，基于人造衛星和空間站等空間平臺中轉的自由空間天地量子通信技術切實可行。

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

為提取有效信號需校準兩端鐘差，實現時間同步。一般采用艾丁頓時間同步，通過將時鐘的同步脈沖發送至地面，由地面根據同步脈沖實現時間同步。天地間在高速運動，需根據相對位置實時補償多普勒效應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確程度。

3 航天領域發展應用研判

3.1 加強量子通信航天領域融合探索

首顆量子通信衛星“墨子號”是量子通信在航天領域融合探索的典型應用。航天技術的發展為量子通信的試驗探索和全球化通信目標的實現提供了強大助力，量子通信技術的發展也反過來促進了航天技術更新換代，同時也會引領并帶動各領域技術的發展，具有極其重要的意義。

3.2 推進核心器件國產化進程

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數發生器等主要依賴于進口，無法擺脫國外制約，自主發展受限，無法保證量子通信系統的安全性。因此，需要重視基礎元器件和關鍵技術的自主研發，注重創新，推進核心器件國產化進程。

3.3 以QKD技術為先導牽引工程化探索

量子通信技術中，QKD技術走在前列。實踐證明，QKD與實際應用的融合，大幅提升了通信安全性，現已進入工程研究和應用推廣階段，未來必將應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技術為先導，加強研究其與傳統光通信基礎技術和產品的融合，豐富QKD網絡，進一步提升安全性、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的探索，推動量子通信技術進步與航天工程化應用。

3.4 構建量子通信航天應用研制與試驗標準體系

量子通信技術屬于前沿技術的研究范疇，部分關鍵技術尚未完全突破或發展成熟，但可預判其會對航天和軍事等各方面產生重要影響。因此，在工程化探索過程中，研究量子通信技術的標準化，構建技術標準體系簇，充分借鑒傳統行業的技術標準，研制并試驗標準子體系，完成量子通信技術標準在行業內的推廣應用，對提升我國航天網絡安全防御能力具有重要意義。

3.5 量子通信系統安全與對抗性能仍需持續攻關

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，受技術等方面的限制，很多理論條件無法滿足，導致仍能被竊取信息。因此，在深入研究與探索技術本身的基礎上，需要持續加強實際量子通信系統的安全性能與對抗性能[8]。

4 結 論

量子通信技術會對航天和軍事等各領域產生重要影響，因此要緊扣技術的更迭變化，抓住機遇，將量子通信技術與航天領域融合應用，從而掌握并建立滿足未來需求的航天量子通信核心技術體系。