林梅 科技日报记者 吴长锋
记者日前从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟团队联合国科大杭州高等研究院院长王建宇团队，通过“天宫二号”和四个卫星地面站上的紧凑型量子密钥分发（QKD）终端，实现了空对地量子保密通信网络的实验演示。相关研究成果以论文形式，刊登在国际知名学术期刊《光学》上。
研究人员通过高精度自动跟瞄系统，与“天宫二号”上的量子密钥分发终端配合，在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道，并在此基础上开展了“空—地量子密钥分发试验”。“这是基于小型卫星星座的实用化量子保密通信迈出的重要一步，也被认为是创建全球量子通信网络最有希望的途径之一。”中国科学院院士王建宇说。
未曾泄露的“天机”
“天宫二号”是我国第一个真正意义上的空间实验室，也是我国空间实验室建设之路上的里程碑。2016年9月，“天宫二号”共搭载14项应用载荷和设备成功发射。其中就有一颗大概两个微波炉大小，重量不足60公斤的针对量子密钥分发实验的载荷。
量子密钥分发实验的载荷
量子密钥分发主要是使用光的量子特性，来生成用于加密和解密数据的安全随机密钥。当时，在地面光纤网络建设方面，世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成。然而，为了更远距离的量子保密通信，在建设地面光纤网络的同时，也要考虑如何在光纤无法到达或者超远地区间进行量子密钥分发。
“天宫二号”搭载的“量子密钥分发载荷”这个“天机”，就是以实现空地间实用化的量子密钥分发为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成量子密钥。
“天宫二号”轨道飞行高度大约为400多公里，飞行速度约为每秒钟8公里，地面站的接收口径约一米。用来生成量子密钥的光子，需要精准地打在地面站的望远镜上，精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里。量子密钥分发的精准度和实现难度由此可见一斑。
2017年，“天宫二号”顺利完成了和南山地面站之间的量子密钥分发实验。
2018年，“天宫二号”开始验证组网的能力，它希望自己能像一个“鹊桥”一样，让地面上的两处距离遥远的双方，可以共享密钥。
2018年10月至2019年2月，科研团队利用“天宫二号”进行了19次量子密钥分发实验。和“天宫二号”打配合的地面站分别位于新疆乌鲁木齐南山、云南丽江、河北兴隆以及青海德令哈，这四个地面站分布于北纬26度-44度，东经87度-118度之间。
飞行在轨的三年时间里，“天宫二号”搭载的量子“天机”完成了各项空间科学实验，为中国的“量子星座计划”夯实了基础。
地面站分发量子密钥实验
与“墨子号”携手形成“高低搭配”
“天宫二号”和“墨子号”卫星的紧密合作，成为这项研究中的一段佳话。
2016年8月，世界首颗量子科学卫星“墨子号”升上太空。潘建伟研究团队利用“墨子号”卫星演示了星-地量子密钥分发和卫星中继的洲际量子保密通信网络。但“墨子号”是个“大块头”，它的量子密钥分发系统重约130公斤，需要130瓦的功率，其科学实验任务还包括双向量子纠缠分发和量子隐形传态在内的纠缠相关的量子通信实验等。
而“天宫二号”搭载的量子密钥分发载荷，是奔着“小型化载荷”和“中等轨道倾角”这两项突破去的，目标直接针对量子密钥分发实验。“天宫二号”的量子密钥分发有效载荷由跟踪系统、量子密钥分发发射器和激光通信发射器组成，体积和重量还不到“墨子号”载荷的一半，运行起来只需要80瓦的功率。可以说，体积、重量和成本都显著低于“墨子号”。
而在轨道倾角方面，由于“墨子号”是太阳同步轨道运行，一天单轨；而“天宫二号”一天多轨道运行，高度为400公里，正适合低轨、中等倾角的需求，并且可以进一步尝试空地量子密钥分发应用。
研究结果显示，“天宫二号”空间实验室的中等（约42°）倾角轨道允许在一晚内多次通过单个地面站，这增加了可以生成的密钥数量。研究人员还建立了一个模型来比较不同轨道类型的、基于卫星的量子密钥分发网络的性能。结果他们发现，将具有中等倾角轨道的卫星（如太空实验室）与穿越极地地区的太阳同步轨道相结合，可以获得最佳性能。
“天宫二号”与“墨子号”
“量子星座”构建天地一体量子网络
虽然，“星座”的设计不是量子通信的原创。但实际上，从最早的“铱星”计划，到现在的“星链”等，为了保证对需要地区的覆盖，且兼顾效率和观测频率，都会根据具体需要，将不同轨道高度、不同轨道倾角的卫星进行组网，卫星之间的高度、甚至相位都可能不同。这些卫星的协同编队，才会取得最经济高效的结果。
“从实用的角度来说，必须要构建由高、中、低轨道卫星组成的‘量子星座’，建立覆盖全球的量子通信网络”，中国科学院院士王建宇说，目前，中国研究团队仍在致力于通过提高量子密钥分发系统的速度和性能、降低成本，以及探索日间卫星到地面量子密钥分发传输的可行性来改进系统。
“这些改进将允许通过发射多颗低轨道卫星来创建一个实用的‘量子星座’”，中国科学技术大学研究员、科大国盾量子董事长彭承志接受科技日报记者采访时表示：“量子星座可以与中高轨道量子卫星和地面基于光纤的量子密钥分发网络相结合，形成天地一体的量子网络。”他表示，在不久的将来，这种类型的量子密钥分发系统可以用于政务、外交和金融等需要高安全性的应用中。
透过“天宫二号”搭载的“量子天机”，人们可以看到，我国科研团队不仅在探索前沿科技，也在提前布局实用化，把研发、运营成本和可用性等都考虑在内。
2022年7月，合肥国家实验室牵头发射了世界首颗量子微纳卫星，其载荷重量进一步下降到“墨子号”卫星重量的六分之一。而作为中国科大的成果转化平台，科大国盾量子等企业研发了小型化量子卫星地面站，不仅成码能力进一步提升，重量也由12吨降至100公斤以下，可以在远洋海岛、驻外机构等场景快捷部署。
“天宫二号”已经圆满完成包括量子密钥分发在内的多项历史使命，但它为中国量子空间研究作出的贡献却依然闪亮。可以预见，随着未来更多的量子微纳卫星升空，我国“量子星座”不断完善，在实用化、小型化、低成本的路线基础上，可以让量子密钥在天地一体化的网络中安全、高效地自由驰骋，服务各个领域与千家万户的信息安全。
（国盾量子供图）
