兩個國際化研究團隊的新成果顯示，量子密鑰分配技術（QKD）可能會進軍天空和恒星的領域。 [圖片由iStock提供]

來自加拿大、中國和德國三個國家的研究團隊，已經從光纖中獲得了稱為量子密鑰分配（QKD）的信息加密技術，并將其應用在了新的高度：飛行中的飛機和繞地球運動的衛星上。

為了準備加拿大量子通信航天器，安大略省滑鐵盧大學的研究人員從地面發射機將安全的量子密鑰上行傳輸到飛機上的接收機（Quantum Sci. Technol., doi:10.1088/2058-9565/aa701f）。全球范圍來看，中國科學院的一個團隊從國家的量子衛星上，向兩個不同的地面站發送了糾纏的光子對（Science, doi:10.1126/science.aan3211）。而德國馬克斯·普朗克光科學研究所的研究人員，能夠對距離地球38000公里以外的衛星激光器所發射的量子態進行地面測量，而這些器件甚至并不是為量子通信設計的。（Optica, doi:10.1364/OPTICA.4.000611）。

是鳥、是飛機、是量子密鑰分配

科學家已經將QKD作為一種不可破解的加密方案，進行了三十多年的研究，但是由于存在指數型損耗，如果光纖上的密鑰大于幾百公里的傳輸距離就不起作用了。短距離的QKD已被證明可用于手持設備以及從飛機與地面站的主要傳輸方式。然而，直到Waterloo實驗，即使向上傳輸模式比向下傳輸方案需要更簡單的機載設備，也沒有人將量子密鑰從地面發射機發送到一架移動的飛機上。

由Thomas Jennewein教授和博士生Christopher Pugh帶領的滑鐵盧大學量子計算研究所研究團隊，為其QKD接收機使用了許多太空電子元器件，能夠在未來的衛星中使用。位于安大略省南部的通用航空機場附近的地面發射機，采用了兩臺紅外激光器和標準的BB84光子偏振協議（QKD技術由Charles H.Bennett和Gilles Brassard于1984年提出）。接收機搭載在一架研究用飛機上，由一個10cm口徑的折射式望遠鏡和專門設計的傳感器和控制器組成，包括分離量子和信標信號的分色鏡。發射機和接收機都使用信標激光器和跟蹤系統來幫助尋找對方。

該飛機在海拔約1.6km處進行了14次飛行，距離發射機的距離為3km至10km，飛機速度高達259km/h。研究團隊基于14次飛行中的7次飛行記錄了一個信號并提取了一個密鑰，長達868kbit。根據加拿大研究團隊實驗，當接收機以模擬低地球軌道航天器的角速度移動時，設備能夠保持毫米度的指向精度。實驗為加拿大未來的量子加密和科學衛星任務奠定了基礎。

通過衛星

去年8月，中國推出了世界上第一顆用于量子光學實驗的衛星。現在來自多個中國學術機構的研究人員通過軌道衛星從兩個距離很遠的地面站發射了糾纏光子，實驗正式命名為空間尺度的量子實驗（QUESS），綽號為墨子。

研究團隊在兩個相距1203公里的地面站之間進行傳輸，QUESS與地面站之間的距離，西南的麗江和青海省北部的德寧哈，從500公里到2000公里不等。作者之一、中國科學技術大學的潘建偉把星載信息交換比喻成距離300米遠觀察到一根人類頭發，或是從地球監測到來自月球上一根火柴火焰的單光子。

大多數光子損耗和湍流效應對自由空間的QKD的影響主要發生在大氣層中較低的10公里，因為大多數光子的路徑是近真空環境。中國研究人員為衛星和地面開發出穩定、明亮的雙光子糾纏源，對于衛星和地面都能夠采取先進的瞄準和跟蹤技術。根據對接收信號的分析表明，光子仍然是糾纏態，違反了貝爾不等式。研究人員估計，這種連接比沿光纖等效長距離連接效率高出12至17個數量級。

潘建偉從2003年就開始試圖進行空間量子通信，當時量子光學實驗通常在屏蔽光學平臺上進行。第二年，他通過13公里長的嘈雜地面環境進行了糾纏光子對分配實驗。2010年和2012年，該團隊將地面隱形傳態范圍擴大到16公里和100公里。 “通過這些在地面上進行這些研究，我們逐漸掌握了量子科學衛星的必要技術，例如高精度和高帶寬采集、瞄準和跟蹤。”潘建偉說。

而潘建偉表示，中國團隊將繼續在較遠的距離進行量子光學實驗，并計劃在零重力條件下進行量子行為的初步測試。

利用現有工具

第三組實驗——由OSA會員Christoph Marquardt領導的一個團隊進行的，他同時是在德國埃爾蘭根的馬克斯·普朗克研究所的OSA研究員Gerd Leuchs的研究小組工作——德國政府與Tesat-Spacecom GmbH公司合作開展業務致力于衛星對地光通信。而且，這些實驗采用了原來不曾用于量子通信的器件。

在德國的實驗中，來自相對地球靜止的軌道衛星Alphasat I-XL上的1065nm Nd：YAG激光通信終端（最初于2013年7月被放置在太空中）的相干光束，被西班牙特內里費泰德天文臺可移動的光學終端接收。該終端配備了自適應光學系統，校正了相位失真，并將信號傳輸到單模光纖中，然后使用零差檢測來獲得量子特征。

為了表明通過湍流大氣實現衛星與地面之間真正的量子連接是可能的，Max Planck的團隊在衛星設備中使用了一個相位調制器，在與量子通信兼容的光場狀態下編碼若干二進制相位調制相干態。隨著信號的放大和處理，研究人員能夠可靠地從地面站接收到這些量子態，這些光束是“通過地球引力以及湍流大氣傳播38600公里的光束。”

Marquardt在一份新聞報道中指出：“我們非常驚訝，量子態如何在大氣湍流之中幸存下來。實驗表明，從衛星到地球的光束可能非常適合作為量子密鑰分配網絡運行——這是一個令人驚訝的發現，因為該系統不是用于量子通信。”根據研究結果他預測在短短五年內，這樣一個網絡“是可能的”。