持续发力，“墨子号”又破两项量子通信记录

近日，继6月16日量子卫星“墨子号”登顶美国《科学》杂志封面后，这颗中国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星再次发来捷讯。本月3日和4日，预印本网站arxiv.org相继刊登了“墨子号”的两项最新实验成果：星地量子密钥分发和星地量子隐形传态。该成果得到了英国BBC、每日邮报、麻省理工技术评论等媒体的广泛关注。

星地量子密钥分发实验装置图

去年8月，由中国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星——“墨子号”发射成功，标志着中国在量子通信领域步入全球领先地位。“墨子号”主要有三大科研任务：星地量子纠缠分发及非定域性检验、星地量子密钥分发、星地量子隐形传态，其中，星地量子纠缠分发及非定域性检验的实验成果已经发表在美国《科学》杂志，7月3日、4日的两篇文章分别报道了剩下两项实验的实验结果。目前这两篇文章尚未在有关杂志上发表，它们暗示了“墨子号”的主要实验任务已经顺利完成。

文章表明，“墨子号”完成了1200公里的星地量子密钥分发实验，第一次将自由空间量子密钥分发的通信距离提高到千公里量级。该距离下 ，实验获得的安全密钥成码率达到kHz量级。 与此同时，在刚刚建成的量子保密通信“京沪干线”中 ，我国实现了32个节点连接的2000多公里光纤量子密钥分发。这样一来，自由空间和光纤通信的量子密钥分发距离纪录均由中国科学团队保持。在另外一篇文章中，“墨子号” 完成了1400公里的星地量子隐形传态实验，将该实验的通信距离提高了一个量级。

星地量子隐形传态实验装置图

由于光量子在光纤或地面自由空间传输时存在损耗，而量子信号又无法向经典光信号一样进行简单的放大再传输，因此通信距离是量子通信技术的一个重要瓶颈。此次通信距离的显著提升，得益于光量子在太空中的低损耗。穿过大气层之后，大气非常稀薄，光子在其中传输几乎零损耗。事实上，地面至太空1200公里的信道损耗与10公里长的光纤信道损耗相当。

为了提升链路效率和克服大气湍流，“墨子号”科研团队突破了一系列技术瓶颈，包括星载高亮度纠缠光子源、窄光束发散、高带宽高精度跟瞄等技术。实验结果表明，科研团队对星地量子通信链路进行了成功的建立和有效的维持。

量子密钥分发、量子隐形传态是量子通信的重要内容，这两项星地实验的顺利完成，为实现全球量子通信网络奠定了重要基础。近年来，美、欧、日等世界发达国家和地区为了加快量子卫星的研制速度，纷纷提出了基于微型卫星的实现方案。微型卫星拥有重量轻、体积小、成本低、研制周期短等特点，被认为是通向实现全球量子通信网络的快速通道。

就在本周一，英国《自然·光学》杂志刊登了来自日本情报通信研究机构的一项实验成果。该实验在一颗重量48千克的微型卫星与地面站之间建立了通信链路，完成了量子密钥分发的通信链路测试。实验中，微型卫星随机发射两种非正交的偏振光脉冲至地面站探测。通过分析探测数据，实验得出的量子比特误码率低于5%，适于进行未来的量子密钥分发实验。由于卫星并没有携带量子密钥分发有效载荷，因此，该实验无法进行纠错、保密放大等一个完整量子密钥分发所需的数据后处理过程。此外，与“墨子号”相比，该实验在激光跟瞄、激光光束宽度控制等技术方面明显落后，这使得实验的信号总衰减达到78dB，该衰减下量子密钥分发几乎无法成码。

日本微型卫星实验

总的来看，该实验距离实现“墨子号”完成的量子密钥分发还有较大距离。同时，论文作者指出，未来将要开发“墨子号”使用的窄光束发散、高带宽高精度跟瞄等技术，将信号衰减降低40dB。他们预计，未来微型卫星的量子密钥分发安全成码率为10-100bps，该数值依然低于“墨子号”已经实现的成码率一到两个数量级。

目前，“墨子号”同时携带了量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三个有效载荷。未来，中国科学家们将会发射专门携带量子密钥分发有效载荷的量子卫星，预计，该卫星的成码率等性能将会得到进一步提升，构建星地量子通信网络的全球竞赛已经展开。