用近期技术实现全球范围内无条件安全量子通信的路线图

光子盒研究院出品

由柏林洪堡大学牵头的一个国际合作项目提出了在卫星上安装量子存储器(作为中继器)设备以便使用量子互联网(通过量子纠缠的分发来实现)的建议。这项研究表明，配备量子存储器(QM)的卫星提供的纠缠分发速率比没有QM的光纤中继器或空间系统快三个数量级。

这项研究已经发表在《npj量子信息》杂志上。英国思克莱德大学、德国航空航天中心(DLR)光学传感器系统研究所和美国NASA喷气推进实验室(JPL)也参与了该项目。研究人员将他们的研究描述为“用近期技术实现全球范围内无条件安全量子通信的路线图”。

作为量子通信的最早应用之一，量子密钥分发(QKD)引领了量子信息技术的发展，并为大规模量子网络奠定了基础。然而，主要限制是可以建立安全链路的范围。地基QKD系统受到光纤损耗的限制，随着距离增加，密钥生成率呈指数下降。目前地基QKD的最远距离仅为600多公里。

超越这些限制需要使用配备量子存储器(QM)或量子中继器(QR)的中间节点，不需要假定这些节点不受恶意控制(不可信操作)。通过利用QR的辅助将传输链路分成更小的段，可以克服直接传输的基本速率-损耗比例，尽管代价是许多中间中继器节点(每隔<100km一个)成本高昂且难以构建。

目前基于光纤的QR被限制在4000公里左右。超过这个范围，由于需要大量的中继站，产生有意义的密钥速率(即~1 Hz)变得极具挑战性。这不足以实现全球或洲际规模的量子通信。

基于卫星的QKD是连接不同洲际光纤网络的方式。地面自由空间QKD的范围最终受到地球曲率的限制，该方法主要适用于城市内部和城市之间的连接。在卫星QKD(SatQKD)中，通过空间真空的传输损耗主要由具有平方反比而不是指数反比的衍射决定。但是SatQKD的连接距离主要受卫星和地面站之间的视距限制，而视距又取决于卫星的轨道，除非卫星充当可信节点。

要建立一个没有可信节点的全球量子网络，需要克服上述局限性。相对来说，配备量子存储器(QM)作为量子中继器的量子卫星的使用仍未被探索。

在本文中，研究人员开发并描述了一种利用空间和地面网络实现全球量子网络的新方法。

他们的方法利用配备量子存储器(QM)的卫星提供自由空间光中继器链路，连接地面上的两个终端站，实现了MA(量子存储器辅助)测量设备无关QKD(MA-QKD)协议，以在视距环境中实现卫星上的高速率和设备无关安全。

MA-QKD协议。绿色(蓝色)箭头表示上行链路(下行链路)协议。Alice和Bob都有标准的BB84编码器。QM量子存储器，θ仰角，h轨道高度，L地面通信总距离。

这是首次对卫星上的QM进行详细的定量分析。纠缠分发速率被用作评估中继器链性能的基准。这种方法克服了纯地面中继网络和可信卫星中继的局限性，优于先前的量子MA-QKD研究，并为全球范围的量子通信提供了当前最佳的速率-损耗比例。

研究表明，量子存储器(QM)的卫星在全球距离上提供了比现有协议快三个数量级的纠缠分发速率。此外，对于连接地面网络，QM可以提高一般视距QKD协议的密钥速率。

MA-QKD方案与ent-QKD(无存储器)协议的比较。灰色虚线：ent-QKD；蓝色：存储时间为5ms的上行链路配置；红色实线(虚线)：具有N=1000个(单)时间模式的下行链路配置，存储时间7.5s；绿色：具有N=1000个时间模式和m=100个存储器对的下行链路，存储时间为100ms。假设重复率为20MHz。

本文给出的模型预测，对于无存储器的QKD，在1120公里的地面距离上，秘密密钥速率为0.15比特/秒，重复率为5.9 MHZ，该值与“墨子号”小组最近报告的0.12比特/秒一致。

对于这里讨论的模拟，假设重复率为20 MHz，在1000公里的地面距离上，秘密密钥速率约为1比特/秒。研究人员将使用该值作为MA-QKD方案性能的基准。

他们通过分析一条由九个地面站分隔的维也纳-悉尼链路来说明这一点，并考虑了天气影响。通过比较，每个地面站的出现良好天气概率使得以前的混合中继器方案不切实际，并强调了在卫星上采用QM的重要性。然后，他们分析了QM运行中损耗的影响。

这项工作为全球通信、导航、定位和传感的实施提供了一个切实可行的路线图。它还提供了基准在不同情况下可容忍的噪声(作为信道损耗的函数)的方法。

最后，研究人员还讨论了几种用于天基量子中继器和MA-QKD协议的QM平台，包括热蒸汽存储器、激光冷却原子系统和稀土离子掺杂晶体等。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41534-021-00460-9

[2]https://www.strath.ac.uk/whystrathclyde/news/memorydevicesonsatellitestoenablethequantuminternet/

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