“墨子号”后的又一里程碑！“天宫二号”取得实用型QKD的突破性进展
近日，包括潘建伟院士和王建宇院士在内的23名研究人员在国际知名学术期刊Optica上发表了论文[1]：他们使用中国空间实验室“天宫二号”和四个地面站上的紧凑型量子密钥分发（QKD）终端实现了空对地QKD网络的实验演示。
新的QKD系统执行了世界上第一个量子加密虚拟电话会议，这一演示代表了朝着基于小型卫星星座的实用QKD迈出的重要一步；这种设置也被认为是创建全球量子通信网络的最有希望的途径之一。
01
紧凑型QKD系统：降低成本、提高性能
“QKD通过使用单光子在两个遥远的终端之间编码信息来提供无条件的安全性，”作者之一的彭承志说[2]，“我们开发的紧凑型系统可以通过使用小型卫星来降低实施QKD的成本。”他们还发现，可以通过建立一个相对于赤道、以不同角度或倾角轨道运行的卫星网络来提高QKD性能。“我们的新工作证明了基于紧凑型卫星有效载荷，和不同轨道类型卫星星座的空-地QKD网络的可行性。在不久的将来，这种类型的QKD系统可以用于政务、外交和金融等需要高安全性的应用中。”
QKD使用光的量子特性来生成用于加密，和解密数据的安全随机密钥。在之前的工作中，研究团队利用“墨子号”卫星演示了星-地QKD和卫星中继的洲际量子网络。然而，该卫星上使用的QKD系统体积庞大且价格昂贵：系统大约有一台大冰箱那么大，重约130公斤，需要130瓦的功率。
作为中国量子星座计划的一部分，研究人员试图开发、展示一个更实用的天地QKD网络。为此，他们开发了一种紧凑型有效载荷，使天宫二号空间实验室能够充当卫星QKD终端。QKD的有效载荷由跟踪系统、QKD发射器和激光通信发射器组成，重约60公斤，需要80瓦的功率，大小约为两个微波炉。
研究人员创造了紧凑的有效载荷，这使得天宫二号空间实验室能够充当卫星QKD终端。它包括一个跟踪系统、QKD发射器和一个激光通信发射器。
墨子号与天宫二号空间实验室的QKD载荷差异。值得注意的是，天宫二号的体积、重量都显著低于墨子号。
“这种有效载荷尽可能地集成，以减少体积、重量和成本，同时实现支持空对地QKD实验所需的高性能，”彭承志说：“它还必须非常耐用，以承受恶劣的条件，例如发射过程中经历的剧烈振动和太空的极端热真空环境。”
研究人员在2018年10月至2019年2月的15个不同的日子里，总共进行了19次QKD实验。在此期间，安全密钥成功地分发在空间站终端和四个地面站之间：这些实验是在夜间进行的，以避免日光背景噪声的影响。
最后，研究人员发现，空间实验室的中等（约42°）倾角轨道允许在一晚内多次通过单个地面站，这增加了可以生成的密钥数量。他们还建立了一个模型来比较不同轨道类型的、基于卫星的QKD网络的性能。他们发现，将具有中等倾角轨道的卫星（如太空实验室）与穿越极地地区的太阳同步轨道相结合，可以获得最佳性能。
四个地面站[南山站（NS）、兴隆站（XL）、德令哈站（DLH）、丽江站（LJ）]在15天内的可用通行证、有效通信时间、平均量子比特错误率（QBER）以及空间-地面QKD的筛分密钥。
四个地面站之间的量子网络。利用南山站和其他站之间的共享密钥，可以一次性对信息的传输进行加密。
02
展望未来：天地一体量子网络
研究人员现在正致力于通过提高QKD系统的速度和性能、降低成本以及探索日间卫星到地面QKD传输的可行性来改进他们的QKD系统。“这些改进将允许通过发射多颗低轨道卫星来创建一个实用的量子星座，”彭承志说：“该星座可以与中高轨道量子卫星和地面基于光纤的QKD网络相结合，形成天地一体的量子网络。”
虽然不是这项工作的一部分，但由合肥国家量子实验室和中国科学技术大学等研究机构研制的更小的量子卫星“济南一号”已于7月27日成功发射升空。这颗被称为微纳卫星重量约为“墨子号”卫星重量的六分之一，并包含一个QKD系统，其尺寸约为此篇论文中展示的尺寸的三分之一。该卫星旨在进行实时卫星对地QKD实验，代表了朝着低成本、实用的量子卫星星座迈出的又一重要一步。
参考链接：
[1]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-8-933&id=492969
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220818102732.htm