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量子衛星或能「24小時上班」｜全球在軌商業遙感衛星統計

2021/12/25

由於白天太陽帶來強烈的背景雜訊，量子密鑰傳輸目前只能在夜間進行。對於量子通信而言，這是一個必須面對的重大挑戰。

科學技術大學教授潘建偉領銜的研究小組，終於在國際上首次實現了白天遠距離（53千米）自由空間的量子密鑰分發實驗，驗證了日光條件下星間和星地之間量子密鑰分發的可行性，為未來構建基於量子衛星的星地、星間量子通信網路掃清了一大關鍵技術障礙。7月24日，《自然·光子學》刊發了這一突破性研究成果。

量子衛星「怕見光」

「墨子號」作為世界首顆量子實驗衛星，如果僅靠它單兵作戰，至少需要三天才能完成全球範圍內地面站點的覆蓋。「墨子號」只是一個起點，從實用的角度來說，必須要構建由多顆低軌道衛星或高軌道衛星組成的量子星座，建立覆蓋全球的實時量子通信網路。

但是，這種量子星座網路的實現有兩大技術難題。「首先，量子衛星害怕陽光帶來的背景雜訊，微弱的光信號會淹沒在強大的陽光里。只有當衛星繞到地球背面，太陽光被地球擋住時，衛星才能成功傳送信號光。而且，黑夜和白天時間不等長，衛星越高，它能避開太陽光的幾率就越小。對一個軌道高度36000千米的地球同步軌道衛星來說，能躲進地影區的概率不到1%。」潘建偉研究小組成員張強博士介紹。

對於實用化的量子衛星網路來說，另一個挑戰是通信距離較遠導致的鏈路損耗較大。「通信鏈路損耗典型值大於40分貝，在這個損耗下，若雜訊大了，就很難安全成碼。」張強說。

白天陽光照射雜訊是夜晚的5個數量級以上，如何減少雜訊，提高信噪比，是橫亘在量子通信實用化道路上的一大關鍵障礙。

三大技術突破日光雜訊

潘建偉團隊通過巧妙選擇工作波長、上轉換單光子探測以及自由空間光束單模光纖耦合等三項突破性技術，對抗日光帶來的背景雜訊。

工作波長的選擇很關鍵。由於雜訊來源於太陽光，無論是直射光還是散射光，太陽光譜中波長為1550納米的光成分較低，大氣散射對該波段散射也較小。潘建偉團隊用1550納米波段的光子代替了之前700—900納米波段光子，並優化了光學系統，將雜訊降低超過一個數量級。

單光子探測器一直是量子通信領域的一個重要課題。本次實驗採用的上轉換單光子探測器，可將1550納米的信號光和1950納米的泵浦光在符合一定條件下，轉換為和頻后的可見光，之後再通過一系列的濾波技術將殘餘光和雜訊濾掉，最後進入光纖。最終，利用上轉換單光子探測技術，雜訊被降低約兩個數量級。

在自由空間光通信系統中，空間光束到單模光纖的耦合技術，是自由空間光通信系統中的關鍵技術之一。「以往實驗中的單模光纖耦合效率極低，只有0.1%，難以滿足量子通信的需要。本次實驗中，我們發展了自由空間光束單模光纖耦合技術，採用最少的光學元件來搭建系統，並發展了光學跟蹤系統來穩定耦合效率，降低雜訊約兩個數量級。同時耦合效率達到了5％—30%。」張強說。

未來還有技術提升空間

陽光燦爛的青海湖，兩岸相距53公里，實驗在湖兩岸進行。

研究小組在1756秒的有效時間內得到了157179比特。結果表明，在全鏈路衰減48分貝。這一數值大於星地、星間鏈路衰減，其中包括14分貝的單模光纖耦合損耗和34分貝的通道損耗的情況下，誤碼率最低達到1.65%，驗證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發的可行性，也為下一步構建量子星座打下基礎。

事實上，面對期待已久的實驗結果，研究團隊坦言，這次的實驗結果遠沒有達到技術極限，各項技術的使用都還有改善的空間。可以預見，未來安全傳輸距離和成碼率都還會有大幅度提升，量子星座網路正向著實用化一步步走來。

全球在軌商業遙感衛星統計

雖然曾經因為受到政策限制，遙感衛星市場的商業化要遠遠晚於通信衛星市場商業化，但是近年來商業遙感衛星市場仍然發展很快，2016年發射的在軌衛星顆數達到了創紀錄的58顆，而2015年和2014年發射數量分別只有12顆和15顆。當然這和整個遙感衛星市場的大趨勢是密不可分的，很明顯，整個遙感衛星市場處於上升通道中。

至2016年12月31日，全球在軌的商業遙感衛星共102顆，其中美國最多，共72顆；和德國各6顆；韓國4顆；俄羅斯和英國各3顆；法國、比利時、瑞典共享2顆；阿根廷2顆，以色列、加拿大、新加坡和日本各1顆。

圖表：全球在軌商業遙感衛星統計（截至2016年12月）