欧美的量子卫星还在路上，中国已经发射了第二颗
光子盒研究院出品
一箭六星！7月27日午间，“力箭一号”运载火箭在我国酒泉卫星发射中心成功首飞，顺利将空间新技术试验卫星、轨道大气密度探测试验卫星、低轨道量子密钥分发试验卫星、电磁组装试验双星和南粤科学星6颗卫星送入预定轨道，发射任务获得圆满成功。低轨道量子密钥分发(QKD)试验卫星也是继2016年“墨子号”量子科学实验卫星升空后，中国发射的第二颗量子通信卫星。
目前量子密钥分发主要通过光纤链路，但存在光子损失的问题。对于光信号，自由空间中的衰减低于光纤中的衰减。因此，为了充分利用自由空间链路的优势，有必要发展空间和卫星技术。
早在2016年，中国就发射了世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”。近年来，世界各国也公布了量子卫星发射计划，目前只有新加坡的纳米卫星SpooQy-1已经升空，欧美等国的发射计划仍未实施，例如，由七国集团牵头的联邦量子系统(FQS)将在2023年发射第一颗卫星。
欲了解各国量子卫星计划的更多信息，请阅读光子盒文章《押注量子卫星，全世界正在追随中国的脚步》。
回到今天发射的卫星，这意味着什么？中国下一步计划是什么？实际上，去年9月，中国科学院院士王建宇在2021量子产业大会上透露，除了墨子号量子卫星，一个可在全球实现量子密钥分发的低轨“量子星座”，“预计将于明年发射第一颗卫星，这将推动量子卫星通信进一步从科学实验室走向落地商业运营。”因此，今天发射的低轨道量子密钥分发试验卫星就是“量子星座”首星，这也意味着中国量子通信的商业化迈出了重要一步。
关于未来五到十年的详细计划，在国际物理学权威综述期刊《现代物理评论》邀请中国科学技术大学潘建伟团队撰写的题为“基于‘墨子号’卫星的空间量子实验”(Micius quantum experiments in space)的长篇综述论文中，我们找到了答案。
中国的量子卫星计划在未来五到十年内有两个目标：1）开发3-5个专门用于QKD任务的小型低地轨道卫星(今天已经发射第一颗)，将提供更实用、高效的QKD服务；2）开发一颗中地轨道到地球同步轨道(GEO)的量子科学卫星，以进行更具雄心的科学实验。
1）日间量子通信
目前基于卫星的量子通信任务的主要缺点之一是，它们只在夜间工作，这大大限制了实际应用。
由几十颗卫星组成的量子卫星星座可以提供全球实时量子通信。这样的卫星星座预计将与低地球轨道和高地球轨道（HEO）卫星一起运行，如GEO卫星。卫星处于地球阴影区的概率随着轨道高度的增加而迅速下降：一个低地轨道卫星系统有∼70%的概率处于阳光区；对于地球同步轨道卫星，这个概率增加到∼99%。
因此，量子卫星星座的急需突破是展示日光下的自由空间量子通信。
基于卫星星座的全球量子网络。（a）一个全球量子网络需要许多低轨卫星或几个地球同步轨道卫星组成一个卫星星座。卫星在地球阴影区的时间与卫星的轨道高度成反比。（b）选定天顶角下大气中可见光到近红外光的透射光谱。（c）从可见光到近红外光的太阳辐射光谱。
2）基于卫星星座的量子网络
仅仅一个低地球轨道卫星不足以支持全球规模的量子通信网络建设。一般来说存在两个发展方向：增加卫星的数量，并提高轨道高度。因此，有必要建立一个结合低地球轨道和高地球轨道的量子卫星星座。
对于低地球轨道卫星，考虑小型、低成本的QKD有效载荷是经济的：可以组装在不同大小的卫星上，如微型卫星和空间站。2017年，科学家尝试开发了一个从天宫二号空间实验室到南山地面站的空间-地面QKD的小型有效载荷。这个57.9公斤的有效载荷集成了一个跟踪系统、一个QKD发射器以及同步模块和一个激光通信发射器。在空间实验室中，50兆赫的真空和弱诱骗态的光源通过一个孔径为200毫米的反射式望远镜被发送，在实验中通信距离在388-719公里之间，QBER为1.8%，建立量子信道时，最终密钥率为∼91bits/s。
天宫二号空间实验室到地面的量子密钥传递示意图。（a）空对地量子密钥分发；（b）诱骗态QKD发射器示意图；（c）配备1200毫米孔径望远镜的南山地面站中的诱骗态QKD解码器示意图。LA1，绿色激光（532nm）；CAM1，粗跟踪相机；CAM2，精跟踪相机；LD，激光二极管；RLD，基准激光二极管；FSM1，快速转向镜；HWP，半波片；极化器；偏振分束器；BS，分束器；ATT，衰减；LA2，红色激光（671nm）；CAM3，精跟踪相机；CAM4，粗跟踪相机；CPL，耦合器；DM，二向色镜；中频，干扰滤波器；FSM2，快速转向镜；BE，扩束器；SPD，单光子探测器。
像“天宫二号”中使用的紧凑、低成本的有效载荷可以被组装在不同大小的卫星上，以构建基于卫星星座的量子网络。对于实际的空地一体化量子通信网络，用户的数量远远大于QKD有效载荷，“墨子号”卫星的典型地面站对于更多用户的大规模应用来说过于庞大、沉重。应重新设计地面站，使其更小、更轻、更便宜，以满足实用量子星座的要求。2022年，科学家在中国多个城市验证了使用紧凑型地面站（小于100公斤，直径280毫米）验证卫星-地面QKD的可行性。
实验证明紧凑型地面站的星-地量子密钥分发。到2020年，包括北京、济南、威海、丽江和漠河在内的中国多个城市已经演示了带有“墨子号”卫星和紧凑型地面站的QKD。典型的筛选密钥率为∼2 kbits/s。
通过上述努力，我们可以进一步设想出一个具有量子星座和地面光纤网络的全球量子通信基础设施。其中，地面的光纤网络为远程城市提供安全的通信服务。同时，由低轨道和高轨道卫星组成的量子星座连接光纤网络上的关键节点和可移动节点，最简单的量子星座应该包括至少三颗低轨道卫星和一颗高轨道卫星。在这种配置下，假设至少需要覆盖100个地面站，每个地面站每年需要与卫星发生50次以上的QKD链接，每次卫星通过可以获得约2Mbits。这样每个站每年可以获得100Mbits，量子星座每年总共可以输出约10Gbits的密钥，可以支持语音通信的基本功能。此外，HEO卫星可以为一些重要地区提供24小时的QKD服务，密钥速率为1kbit/s，可以解决文本通信的基本需求。
全球量子通信网络路线图。将使用光纤创建市内城域网，量子中继器可以连接城域网，远程和洲际量子通信将通过卫星量子信道实现。
此外，利用卫星还可以进行更大空间尺度上纠缠分发的量子实验：如测试量子力学和广义相对论、广域量子安全高精度光学时频传输、高轨道卫星开发光学时钟等。本篇综述所涉及的工作仅仅代表了空间尺度量子实验这一新兴领域的曙光，期望在未来看到更多相关实际应用。