記者8月23日從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉團隊聯(lián)合國科大杭州高等研究院院長、中國科學院院士王建宇團隊，通過“天宮二號”和4個衛(wèi)星地面站上的緊湊型量子密鑰分發(fā)(QKD)終端，實現了空—地量子保密通信網絡的實驗演示。相關論文日前刊登在國際知名學術期刊《光學》上。

研究人員通過高精度自動跟瞄系統(tǒng)與“天宮二號”上的量子密鑰分發(fā)終端配合，在地面站與目標飛行器之間建立起量子信道，并在此基礎上開展了空—地量子密鑰分發(fā)試驗。

2016年9月，“天宮二號”共搭載14項應用載荷和設備成功發(fā)射。其中就有一顆大概兩個微波爐大小、重量不足60千克的針對量子密鑰分發(fā)實驗的載荷。據介紹，“天宮二號”搭載的量子密鑰分發(fā)載荷，就是以實現空—地實用化的量子密鑰分發(fā)為目標，通過天上發(fā)射一個個單光子并在地面接收，生成量子密鑰。

2017年，“天宮二號”順利完成了和南山地面站之間的量子密鑰分發(fā)實驗。2018年，“天宮二號”開始驗證組網的能力，科研團隊利用“天宮二號”在分別位于南山、麗江、興隆和德令哈的地面站之間，進行了19次量子密鑰分發(fā)實驗，讓地面上兩處距離遙遠的雙方實現了量子密鑰共享。

飛行在軌的3年時間里，“天宮二號”和“墨子號”衛(wèi)星進行了緊密合作。2016年8月，世界首顆量子科學衛(wèi)星“墨子號”升上太空。“墨子號”量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)重約130千克，需要130瓦的功率，其科學實驗任務還包括雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)在內的糾纏相關量子通信實驗等。而“天宮二號”搭載的量子密鑰分發(fā)載荷，體積和重量不到“墨子號”載荷的一半，運行功率為80瓦，它肩負著“小型化載荷”和“中等軌道傾角”兩項任務，目標也只針對量子密鑰分發(fā)實驗。

由于“墨子號”是太陽同步軌道運行，一天單軌;而“天宮二號”一天多軌道運行，高度為400千米，正適合低軌、中等傾角的需求，并且可以進一步嘗試空—地量子密鑰分發(fā)應用。“天宮二號”空間實驗室的中等傾角軌道允許在一晚內多次通過單個地面站，這增加了可以生成的密鑰數量。研究人員還建立了一個模型來比較不同軌道類型的、基于衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)網絡的性能。結果顯示，將具有中等傾角軌道的衛(wèi)星與穿越極地地區(qū)的太陽同步軌道相結合，可以獲得最佳性能。

“從實用的角度來說，必須要構建由高、中、低軌道衛(wèi)星組成的量子星座，建立覆蓋全球的量子通信網絡。”王建宇表示，這是小型衛(wèi)星星座向實用化量子保密通信邁出的重要一步，也被認為是創(chuàng)建全球量子通信網絡最有希望的途徑之一。

關鍵詞： 量子星座 量子信道 量子密鑰共享 量子密鑰分發(fā)試驗