量子通信技术探索及其在航天领域的发展应用研判

赵 兴，程向丽，金红新，孔志杰，王 沛

（1.中国运载火箭技术研究院，北京 100076；2.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076）

0 引 言

量子力学与相对论是现代物理学的两大支柱。随着量子力学的蓬勃发展，特别是原子的激光冷却等微观调控技术的突破，极大地提升了人类处理信息的能力，引发了以叠加态和纠缠态为主要技术特征的第二次量子科技浪潮。量子通信技术作为量子信息的3大核心技术之一，将对未来信息的安全传输产生颠覆性影响。航天工业技术水平不仅可以衡量一个国家的国际地位，而且可以引领和带动其他领域技术的发展。将量子通信技术应用于航天领域，具有极其重要的意义。

1 技术内涵

量子的性质包括量子叠加态、量子相干、量子纠缠以及量子不可克隆。量子通信是一种利用量子叠加态和纠缠效应进行量子态信息传输的通信方式[1]，理论上具有安全、超大信道容量以及超高通信速率等特点。

目前，量子通信系统的通信方式主要有量子密钥 分 发（Quantum Key Distribution，QKD）、 量 子隐形传态（Quantum Teleportation，QT）以及量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC）3种。

QKD先共享安全密钥，再与传统信道结合，完成信息的加密、解密和传输，是目前量子通信系统中工程化最高的技术。QT基于通信双方的纠缠光子分发（信道建立）、贝尔态测量（信息调制）以及幺正变换（信息解调）实现，量子态信息的解调则需在传统信道辅助下完成。QSDC与QKD的区别在于，QSDC不需要事先共享安全密钥，能直接传递秘密信息[2]。

2 关键技术

2.1 高品质单光子/EPR纠缠对制备

高品质单光子源作为量子通信的理想信号源，目前还没有制造形成。试验常采用衰减弱相干光的方法，其中包含纯度不高的单光子和多光子脉冲，容易由多光子攻击产生安全漏洞。因此，需研究高纯度、高全同性以及高效率的单光子源设备。

量子纠缠是传输信息的一种加密技术。不同粒子系统中，纠缠可分为多种类型，如两粒子系统的BELL态、三粒子系统的GHZ态和W态、多粒子系统的GHZ态和W态等。目前，腔量子电动力学系统、非线性光学系统及离子阱系统等已经能制备量子纠缠态[3]。

量子纠缠态在非线性光学系统中利用自发参量实现转换。原理上，发射一个光子到非线性晶体上，该光子会分裂成两个能量减半的光子。通过正确放置镜片，使发射的光子朝相反的方向传播，粘接异型晶体形成一个整体，对该整体发射一束水平和垂直混合态偏振光，从而得到一对EPR的光子，使射出光子处于水平偏振和垂直偏振的叠加态，执行分发和传输等操作[4]。利用晶体中的非线性过程制备多光子纠缠态时，光子数越多，难度越大。

2.2 量子态中继和存储技术

光子在自由空间和光纤中的传输存在损耗，其强度随距离增大呈指数衰减。经典通信中，通过中继器放大信号能解决该困难，而量子不可克隆，无法直接这样处理，只能采用基于纠缠交换技术的量子中继[5]。通过量子中继为通信双方建立连接，中继站本身不存储数据，仅存储一些中间量子态，对窃取信息毫无用处，故不存在泄露问题。但是，目前中继水平法完全脱离经典信道，仍需继续研究。

量子中继设计需要考虑纠缠交换、纠缠钝化以及量子存储等。其中，量子存储能存储量子比特，量子纠缠可解决部分存储不完美现象。目前，量子态存储的各种技术方案，如气态冷原子系综和稀土离子掺杂晶体等，在存储时间、保真度、存储容量以及效率等指标上都各有优劣，但都不能同时满足全部指标要求[6]。因此，量子存储和量子中继技术仍有待研究和突破。

2.3 单光子探测技术

单光子探测器是量子通信系统的核心，能直接影响量子通信的通信距离、成码率、误码率以及安全性等，具体体现在暗计数和探测效率等指标上。目前，常见的探测器件包括雪崩光电二极管、光电倍增管、电荷耦合器件、超导探测器以及量子点探测器等。由于实际器件无法满足理想条件，因此仍需继续研究，逐渐逼近理论上的绝对安全。

2.4 自由空间天地量子通信应用技术

由于光纤受衰减影响，在无量子中继的情况下，光纤量子通信的有效距离，只有几百千米。光子在大气中有衰减，在太空中无衰减，不仅能克服地表曲率，而且不存在双折射效应。因此，基于人造卫星和空间站等空间平台中转的自由空间天地量子通信技术切实可行。

以卫星为例，卫星和地面站始终处于高速相对运动中。在姿态变动和振动影响的情况下，建立高效稳定的量子信道需要天地链路高精度跟踪和精确指向。卫星根据地面站点位计算大致方位，将捕获相机指向地面站捕获上行的信标光，随后卫星瞄准地面站，发射发散角较小的下行信标光，地面站探测到来自卫星的信标进入跟踪状态。双方均跟踪对方视轴后，卫星平台发射量子光。由于终端间高速运动带来的超前偏差，因此将量子光瞄准接收端[7]。

为提取有效信号需校准两端钟差，实现时间同步。一般采用艾丁顿时间同步，通过将时钟的同步脉冲发送至地面，由地面根据同步脉冲实现时间同步。天地间在高速运动，需根据相对位置实时补偿多普勒效应和时间抖动带来的影响，其补偿效果取决于通信双方对天地间相对运动估算的准确程度。

3 航天领域发展应用研判

3.1 加强量子通信航天领域融合探索

首颗量子通信卫星“墨子号”是量子通信在航天领域融合探索的典型应用。航天技术的发展为量子通信的试验探索和全球化通信目标的实现提供了强大助力，量子通信技术的发展也反过来促进了航天技术更新换代，同时也会引领并带动各领域技术的发展，具有极其重要的意义。

3.2 推进核心器件国产化进程

目前，高性能的量子通信核心器件如量子光源、单光子探测器以及量子随机数发生器等主要依赖于进口，无法摆脱国外制约，自主发展受限，无法保证量子通信系统的安全性。因此，需要重视基础元器件和关键技术的自主研发，注重创新，推进核心器件国产化进程。

3.3 以QKD技术为先导牵引工程化探索

量子通信技术中，QKD技术走在前列。实践证明，QKD与实际应用的融合，大幅提升了通信安全性，现已进入工程研究和应用推广阶段，未来必将应用到太空的星间量子通信、全天候的空间量子通信以及星载量子存储等方面。量子通信的探索与试验离不开航天平台，因此需加快航天工程化探索，以成熟度最高的QKD技术为先导，加强研究其与传统光通信基础技术和产品的融合，丰富QKD网络，进一步提升安全性、可靠性以及有效性，同时兼顾对QT和QSDC等其他量子通信技术的探索，推动量子通信技术进步与航天工程化应用。

3.4 构建量子通信航天应用研制与试验标准体系

量子通信技术属于前沿技术的研究范畴，部分关键技术尚未完全突破或发展成熟，但可预判其会对航天和军事等各方面产生重要影响。因此，在工程化探索过程中，研究量子通信技术的标准化，构建技术标准体系簇，充分借鉴传统行业的技术标准，研制并试验标准子体系，完成量子通信技术标准在行业内的推广应用，对提升我国航天网络安全防御能力具有重要意义。

3.5 量子通信系统安全与对抗性能仍需持续攻关

量子通信在原理上是无条件安全的，极大的降低了信息被窃听的可能性。目前，受技术等方面的限制，很多理论条件无法满足，导致仍能被窃取信息。因此，在深入研究与探索技术本身的基础上，需要持续加强实际量子通信系统的安全性能与对抗性能[8]。

4 结 论

量子通信技术会对航天和军事等各领域产生重要影响，因此要紧扣技术的更迭变化，抓住机遇，将量子通信技术与航天领域融合应用，从而掌握并建立满足未来需求的航天量子通信核心技术体系。