衛星量子通信技術走向白天

近日，科學技術大學的潘建偉團隊在青海湖實驗基地實現了太陽光背景下的自由空間量子密鑰分發，為未來覆蓋全球的量子衛星網路「量子星座」奠定了可靠的技術基礎。論文發表在國際權威學術期刊《自然·光子學》上。

隨著「墨子號」量子科學實驗衛星的成功發射和運行，量子通信技術已經進入到了衛星時代。衛星量子通信具有以下特點：

1、量子通信的信息載體是單光子，是光的最小能量單元，因此對背景光極其敏感。

2、單光子的來源是激光，因此和衛星激光通信技術一樣，衛星對地面都是點對點的光學通道，覆蓋範圍有限。

面對第一個問題，墨子號採取了只在夜間工作的模式，以避開白天強太陽光背景的干擾。面對第二個問題，只有將衛星軌道升高才能增加覆蓋範圍。墨子號是以科學實驗任務為主的低軌衛星（軌道高度500公里到600公里左右），相對地面飛行速度較快（約每秒鐘8公里），每次過站時間小於10分鐘。這個軌道至少需要三天才能遍歷全球範圍的地面站，而且過站時間過快，無法滿足全天24小時通信需求。

為了能夠建立覆蓋全球的衛星量子通信網路，必須研製高軌量子通信衛星。單顆高軌衛星能夠同時覆蓋整個國土，過站時間可以達到幾個小時。由若干顆高軌衛星和地軌衛星組成一個「量子星座」，就可以全天24小時覆蓋整個地球。

圖1 太陽輻射光譜和地球衛星軌道

但是「量子星座」就必須再次面對第一個問題，即太陽光背景。如圖1所示，越高軌的衛星在太陽光範圍內的比例越高，即在地影區（黑夜）的比例越小。表1給出了低軌衛星、中軌衛星、高軌衛星各自在地影區的比例。對地球同步軌道來說，只有0.57%的概率會在地影區。因此我們要求「量子星座」必需能夠在太陽光背景下工作，即儘可能地排除太陽光對探測端的影響。

表1 不同衛星軌道的地影區覆蓋率

為了解決這個問題，我們首先要改變數子通信使用的光子的波長。傳統自由空間量子通信（包括墨子號）使用的光子波長集中在800nm附近。如果我們選取1550nm，這個波長太陽光的輻射強度只有800nm的1/3左右；根據瑞利散射定律的波長四次方反比關係，1550nm光子的大氣散射只有800nm光子的7%；同時1550nm作為光通信波長，可以和地面的量子通信網路自然對接。總的下來，太陽光在1550nm產生的背景雜訊約只有800nm的3%，通過單模光纖接收技術還可以進一步降低太陽光背景雜訊。

但1550nm帶來了另一個技術問題，就是光子的探測效率。常用的半導體單光子探測器在800nm附近效率很高，但是到了1550nm效率急劇下降，無法使用。於是我們發展了一套「上轉換探測器」技術，即首先利用晶體對光子的頻率上轉換效益，將需要探測的1550nm波長光子以很高的效率轉換為800nm附近波長的光子，再用半導體單光子探測器來探測，從而解決對1550nm光子的探測問題。

潘建偉團隊通過以上1550nm光子源、太陽光背景下單光子接收、單光子上轉換探測器三大技術突破，在國際上首次實現了太陽光背景下的自由空間量子密鑰分發。通信距離橫跨青海湖，達到53km，高於大氣層的垂直厚度。通道衰減也模擬了高軌衛星到地面的衰減（48dB）。因此這個實驗全方位驗證了利用高軌衛星在太陽光背景下進行星地量子通信的可行性。

值得一提的是，該青海湖實驗基地也曾為「墨子號」量子科學實驗衛星做過全方位的地面驗證。綜上，我們有理由認為這個在青海湖的白天量子通信實驗是走向太陽光背景下衛星量子通信的第一步，也將為未來覆蓋全球的量子通信衛星網路——「量子星座」提供可靠的技術基礎。