押注量子卫星，全世界正在追随中国的脚步

光子盒研究院出品

春节前，法国总统马克龙在巴黎-萨克雷大学纳米科学和纳米技术中心发表演讲，宣布启动法国量子技术国家战略，并计划5年内在量子领域投资18亿欧元。

资金使用方面，7.8亿欧元用于量子计算机的开发，2.5亿欧元用于量子传感器，1.5亿欧元用于具有战略意义的后量子密码学，3.2亿欧元投资量子通信，以及在开发量子设备涉及的相关技术方面投资3亿欧元(如光子、低温技术)。

根据这一国家战略，量子通信的投资仅次于量子计算。而在今年1月初，法国最高航天官员表示，欧洲航天工业将努力跟上中国在安全通信方面的进步，以获得比卫星宽带网络（包括英国支持的OneWeb）更大的优势。他所指的安全通信就是基于卫星的量子通信。

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。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。

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。甚至远离世界科学中心的拉美也启动了量子卫星项目。

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。

称为“安全和加密技术任务”(SAGA)的天基部分由欧洲航天局(ESA)负责开发，包含可遍及整个欧洲的卫星量子通信系统。目前该项目还未公布最新进展。

SAGA量子通信卫星示意图

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。

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。

截至目前，ROKS已经发展了任务概念，证明了高度小型化的空间就绪量子系统和人工智能工具箱的技术基础，并获得了与跨国金融、电信和数据提供商在网络安全方面的合作机会。

总部位于格拉斯哥的Craft Prospect有限公司负责开发新型量子激光有效载荷。该公司获得了英国航天局国家航天创新计划34.5万英镑的资助。合作伙伴包括思克莱德大学、布里斯托大学和格拉斯哥弗劳恩霍夫应用光子学中心。

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

2020年新加坡发射的纳米卫星SpooQy-1是SpeQtre项目的前期工作。SpooQy-1成功演示了轨道上的量子纠缠。在距地球400公里的轨道上，利用蓝色激光二极管和非线性晶体，这颗2.6公斤重的卫星在两个硼酸钡晶体中产生了纠缠光子对。

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。

始于2018年的意大利SeQBO项目也构想了一个12U立方星架构上的微型量子密钥分发(QKD)系统。这是一个由意大利国防部资助的项目，航空航天工程公司Argotec与帕多瓦大学合作研发。

SeQBO选择位于意大利南部的马特拉激光测距观测站（MLRO）作为地面站。SeQBO的微型系统包括Argotec的高性能机载计算机(OBC)，代号为Hack，处理卫星和数据加密。SeQBO还集成了一个量子通信系统(QCS)，负责执行QKD协议，包括光子发生器和光发射器。

目前，帕多瓦大学SeQBO实验室内静态测试成功地与模拟地面站交换了加密密钥，在轨道高度为400-1000公里的模拟卫星和模拟地面站之间交换加密信息。作为对比，中国墨子号量子通信卫星，轨道平均高度约为500-600公里。

SeQBO——一种用于量子密钥分发的小型化系统

卢森堡是一个人口仅60万的国家，总部位于卢森堡的欧洲卫星公司(SES)也领导了一个量子通信卫星项目——QUARTZ。项目由欧洲航天局支持，正在设计在光学地面站之间分发安全密钥的解决方案，每个地面站通过量子链路与一个量子卫星相连；这种无限制的卫星覆盖将有助于克服基于光纤QKD系统的限制，并为在地理上分散的地区提供连接。

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。

在北美，加拿大已经率先启动量子通信卫星项目。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。

2019年，加拿大航天局与霍尼韦尔签署了一份价值3000万加元(2300万美元)的合同，用于建造QEYSSat卫星。

卫星计划于2022年发射。2020年8月，空间基础设施供应商Loft Orbital与霍尼韦尔签署了合同，负责QEYSSat项目的卫星发射，这是Loft迄今为止最大的合同。该公司透露，这颗卫星预计在18到24个月内发射。

同时，根据最近加拿大与英国签署的合作协议，英国公司Craft Prospect将为QEYSSat项目提供下行QKD链路系统 。

QEYSSat卫星示意图

上述量子通信卫星项目全部由发达国家所领导，但实际上，厄瓜多尔这样的拉美发展中国家也启动了相关项目。

2017年，厄瓜多尔空间局(EXA)及旗下量子航天研究所(QAS)在阿根廷举行的首届IAA拉丁美洲小型卫星研讨会上首次发表了QSAT网络空间计划的提案。该提案旨在满足以空间量子密钥分发技术(QKD)为特征的全球安全量子互联网的需求。

QSat网络将立方星概念化为具有空间量子存储器的移动量子中继器。微型移动量子中继器为网络中每个立方星的量子纠缠源增加了存储和转发功能。这种方法可避免信号丢失，并且可以扩展到更远的距离。QSat包括一个10x10x30cm的标准3U立方星，带有六个3U太阳能电池板。

QSAT网络提案

自2016年发射以来，“墨子号”量子通信卫星已经圆满完成三大任务。

首先，星地高速量子密钥分发(QKD)是“墨子号”的科学目标之一。“墨子号”与河北兴隆地面光学站建立了光链路，在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高出20个数量级(万亿亿倍)。

然后，地星量子隐形传态是“墨子号”的又一科学目标。“墨子号”量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。实验通信距离为500-1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。

最后，作为三大科学实验任务之一，“墨子号”在国际上首次在空间尺度上开展了量子纠缠分发实验。2020年6月15日，“墨子号”在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发，将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级。

2020年12月30日晚，由中国科大、国盾量子和济南量子技术研究院共同研制的全球首个可移动量子卫星地面站，在济南与“墨子号”卫星对接成功。这标志着全球首个可移动量子卫星地面站建设完成，量子技术研发应用又迈出了具有里程碑意义的一步。

在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上，中国科大潘建伟团队等构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络，实现了地面跨度4600公里的天地一体化量子通信网络。

从这个意义上来说，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。

基于卫星的QKD有两种不同的工作方式：

1）制备和测量。在prepare-and-measure协议中，量子态在卫星和地面站之间传送。卫星在自己和Alice(第一个地面站)之间建立一个密钥，然后在自己和Bob(第二个地面站)之间建立第二个密钥。然后卫星将这两个密钥与数学运算相结合并广播，这样只有Alice和Bob才能解码密钥的对应项。在这里，卫星充当单个可信节点，并且一定程度的信任必须归于运营商(在大型组织或基础设施内的通信中经常是这种情况)。

2）基于纠缠。在这里，Alice和Bob的地面站测量卫星同时发送的两束纠缠光子之间的量子关联。最大的优点是卫星不再充当Alice和Bob之间的可信节点。

墨子号的成功已经证实了空间量子密钥分发的可行性，但目前密钥生成速率还比较低，量子卫星的成本也比较高，量子卫星网络发展还不成熟。构建全球量子网络，实现全球范围内的安全通信，将会面临许多困难和挑战。

1）如何增加密钥生成速率。目前各种空间QKD的研究结果表明，在陆地和卫星之间链路上密钥生成速率相对较低。较高的密钥生成速率具有更高的安全性。利用波长或空间模式多路复用技术，改善公共信道上的协调过程，以及先进的高速自动跟踪系统，可使密钥生成速率增加成为可能。

2）如何增加密钥分发距离。这是未来自由空间QKD网络特别感兴趣的方向，研制低噪声的高效单光子探测器/相干探测器是关键的工程问题。随着距离的增加，这一问题变得越来越困难。

3）如何降低实现成本。这是QKD在未来网络中广泛部署的一个重要因素，这个挑战可通过硬件开发、光子检测、集成设备和/或基于现有通信设备的新型QKD协议来实现。

低轨道(LEO)卫星具有信道损耗小、传输时延低的优点，利用LEO卫星的组网构建量子卫星星座是较为可行的途径。目前，各国启动的量子卫星项目几乎全部是LEO卫星。

然而，由于LEO卫星对地的高速相对运动，其覆盖单个地面站的时间有限，可以与地面站进行量子密钥分发过程的时间较短。在基于可信中继的网络中，量子密钥池的密钥量取决于密钥注入的速率和时间，较短的覆盖时间可能会导致星地间量子密钥池的存储量不足，无法为密钥中继提供足够多的密钥。

相反，高轨道(GEO)卫星可以与地面保持相对静止(当处于地球同步轨道时)，因而可以持续与地面站进行量子密钥分发；同时其覆盖范围很大，只需3颗卫星就可覆盖全球。

但GEO卫星缺点是卫星链路的传输损耗较大，导致其密钥生成速率较低。尽管如此，高轨卫星仍然可以用较低的密钥速率持续生成密钥，并注入到星地的量子密钥池内；同时，系列实验也证明了中高轨道卫星进行量子通信的可行性。

目前，“墨子号”研究团队正在研究提升卫星链路效率的技术，包括研制更大的光学接收镜和更精准的瞄准系统，其目的是提高中高轨道卫星的密钥生成速率。

未来，为了扩大量子卫星的覆盖范围，需要发射轨道更高的量子卫星，并以此为基础建造量子卫星星座。这对实现全球安全通信具有重要意义。

虽然目前量子卫星的系统性能和试点实验还存在一定局限性，但随着应用需求、系统器件和组网技术的发展与演进，其推广应用具有非常广阔的前景。

参考文章：

[1]https://www.osa-opn.org/home/articles/volume_29/february_2018/features/satellite-based_qkd/

[2]赵永利,王艳,何芯逸,郁小松,张杰. 量子卫星光网络前瞻[J]. 无线电通信技术,2020,46(06):637-643.

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