近日，中国科学技术大学的潘建伟团队在青海湖实验基地实现了太阳光背景下的自由空间量子密钥分发，为未来覆盖全球的量子卫星网络“量子星座”奠定了可靠的技术基础。论文发表在国际权威学术期刊《自然·光子学》上。
随着“墨子号”量子科学实验卫星的成功发射和运行，量子通信技术已经进入到了卫星时代。卫星量子通信具有以下特点：
1、量子通信的信息载体是单光子，是光的最小能量单元，因此对背景光极其敏感。
2、单光子的来源是激光，因此和卫星激光通信技术一样，卫星对地面都是点对点的光学通道，覆盖范围有限。
面对第一个问题，墨子号采取了只在夜间工作的模式，以避开白天强太阳光背景的干扰。面对第二个问题，只有将卫星轨道升高才能增加覆盖范围。墨子号是以科学实验任务为主的低轨卫星（轨道高度500公里到600公里左右），相对地面飞行速度较快（约每秒钟8公里），每次过站时间小于10分钟。这个轨道至少需要三天才能遍历全球范围的地面站，而且过站时间过快，无法满足全天24小时通信需求。
为了能够建立覆盖全球的卫星量子通信网络，必须研制高轨量子通信卫星。单颗高轨卫星能够同时覆盖整个国土，过站时间可以达到几个小时。由若干颗高轨卫星和地轨卫星组成一个“量子星座”，就可以全天24小时覆盖整个地球。
图1 太阳辐射光谱和地球卫星轨道
但是“量子星座”就必须再次面对第一个问题，即太阳光背景。如图1所示，越高轨的卫星在太阳光范围内的比例越高，即在地影区（黑夜）的比例越小。表1给出了低轨卫星、中轨卫星、高轨卫星各自在地影区的比例。对地球同步轨道来说，只有0.57%的概率会在地影区。因此我们要求“量子星座”必需能够在太阳光背景下工作，即尽可能地排除太阳光对探测端的影响。
表1 不同卫星轨道的地影区覆盖率
为了解决这个问题，我们首先要改变量子通信使用的光子的波长。传统自由空间量子通信（包括墨子号）使用的光子波长集中在800nm附近。如果我们选取1550nm，这个波长太阳光的辐射强度只有800nm的1/3左右；根据瑞利散射定律的波长四次方反比关系，1550nm光子的大气散射只有800nm光子的7%；同时1550nm作为光通信波长，可以和地面的量子通信网络自然对接。总的下来，太阳光在1550nm产生的背景噪声约只有800nm的3%，通过单模光纤接收技术还可以进一步降低太阳光背景噪声。
但1550nm带来了另一个技术问题，就是光子的探测效率。常用的半导体单光子探测器在800nm附近效率很高，但是到了1550nm效率急剧下降，无法使用。于是我们发展了一套“上转换探测器”技术，即首先利用晶体对光子的频率上转换效益，将需要探测的1550nm波长光子以很高的效率转换为800nm附近波长的光子，再用半导体单光子探测器来探测，从而解决对1550nm光子的探测问题。
潘建伟团队通过以上1550nm光子源、太阳光背景下单光子接收、单光子上转换探测器三大技术突破，在国际上首次实现了太阳光背景下的自由空间量子密钥分发。通信距离横跨青海湖，达到53km，高于大气层的垂直厚度。信道衰减也模拟了高轨卫星到地面的衰减（48dB）。因此这个实验全方位验证了利用高轨卫星在太阳光背景下进行星地量子通信的可行性。
值得一提的是，该青海湖实验基地也曾为“墨子号”量子科学实验卫星做过全方位的地面验证。综上，我们有理由认为这个在青海湖的白天量子通信实验是走向太阳光背景下卫星量子通信的第一步，也将为未来覆盖全球的量子通信卫星网络——“量子星座”提供可靠的技术基础。
（作者系中国科学院量子信息与量子科技创新研究院/中国科学技术大学上海研究院科研人员）
来源：中国科学技术大学
