自由空間量子通信綜述

王 碩

(中國船舶重工集團公司第722研究所，武漢 430079)

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自由空間量子通信綜述

王 碩

(中國船舶重工集團公司第722研究所，武漢 430079)

要在軍事通信領域里實現量子通信，就要解決量子通信的遠程、無線應用問題，也就是要設法實現自由空間的遠程量子通信。從將量子通信技術應用于各種軍用平臺遠程安全通信的角度出發,給出了大氣遠程量子通信的發展狀況，目前星-地量子通信實驗研究的情況，以及水下自由空間的量子密鑰分配可行性研究。

自由空間；量子通信；密鑰分發；保密通信

0 引 言

在有關信息領域新技術的各種媒體報道中，“量子通信”是個出現頻率很高的詞。實際上,在量子信息領域完成了論證、實驗，并初步進入實用化的技術到目前只有“量子密鑰分發(QKD)”。而采用了QKD技術的保密通信也只是在密鑰的生成或分發上部分地應用了量子態，所以目前所說的初步實用化的“量子通信”，嚴格地講應是量子密鑰保密通信。

與經典安全通信相比，量子通信在安全性上具有無法比擬的天然優勢。目前，基于光纖信道的量子通信技術已趨于成熟，然而量子中繼方案雖然有了充分的演示實驗驗證，但要達到實際應用的水平還需進一步突破技術難點。因此，基于光纖信道的量子通信最遠距離被限制在百公里量級。要在大范圍內實現量子通信，尤其是在軍事通信領域里實現，就必須解決量子通信的遠程、無線應用問題，也就是必須要設法實現自由空間的遠程量子通信。

1 星-地遠程量子通信概念

地面間的自由空間量子通信，因為受地球曲率和地面大氣層中各種物理作用的影響，其最遠距離只能達到100 km以上。而對于地面-衛星之間的自由空間信道來說，其衰減主要集中在地面大氣層部分，這部分的大氣厚度約等效于地表水平方向大氣的5～10 km，往返2次的信道衰減也就等效于10～20 km。光子在經過了地面大氣層部分后，在其上層的傳輸衰減則是可以忽略不計的。因此人們設想通過鏈接地-星，星-星(也可能不需要)，星-地來建立遠程的高穩定低衰減的量子信道，從而實現量子通信的遠程應用，如圖1所示。

圖1 衛星遠程量子密鑰分發

目前，科學界在大量實驗與理論研究的基礎上普遍認為，通過衛星中轉的方式進行遠距離量子通信，是實現大范圍量子通信的最佳方案。正是在這種認識下，星-地量子通信技術的研究成了量子通信研究領域中極為引人關注的一個熱點。我國在這方面的研究工作已處于世界領先水平，目前已完成了衛星量子通信實驗有效載荷的航天工程初樣研制工作，并計劃在2016年發射相關的量子科學試驗衛星。

自由空間量子通信“在高損耗的地面成功傳輸100 km，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1 000 km以上”。當前星-地量子通信研究的快速進展，已清晰地向人們展開了一個將量子通信技術用于海軍遠程安全通信的想象空間。

2 星-地量子通信的實驗驗證

星-地自由空間信道相比光纖信道在大尺度上具有特別的優勢，概要歸納為：(1)克服地表曲率、沒有障礙物的阻礙；(2)只相當于5～10 km的水平大氣等效厚度；(3)大氣對某些波長的光子吸收非常小；(4)大氣能保持光子極化糾纏品質；(5)外太空無衰減和退相干。這些優勢促使人們更多地從星-地自由空間信道尋求突破，從而提出了星-地量子通信的構想，并實施了一系列與星-地量子通信可行性相關的實驗。

2.1 國際上有代表意義的地面自由空間量子通信實驗

第1個自由空間量子密鑰分配演示實驗是1989年由IBM實驗室的Bennett及加拿大蒙特利爾大學的Bessette等在實驗室光學平臺32 cm距離上實現的。實驗所得篩選密鑰誤碼率為4%，安全密鑰為1.3 bit/s。表1列出部分1 km以上距離的、有代表意義的自由空間量子密碼實驗的相關信息。

表1 部分自由空間量子密碼實驗的相關信息

其中，美國洛斯阿拉莫斯實驗室(LANL)基于偏振編碼B92協議的自由空間1 km量子密鑰分配實驗，其誤碼率為1.5%。2002年實現了 10 km白天和夜晚量子密鑰分配實驗，白天工作誤碼率(5.0±2.2) %，安全密鑰率150 Hz；夜晚誤碼率為(2.1±0.7) %,安全密鑰率為420 Hz。同年，德國慕尼黑大學和英國軍方下屬研究機構合作的23.4 km自由空間量子密鑰分配實驗，誤碼率約5%，安全密鑰率400 Hz。2006、2007年，歐洲五國聯合實驗小組實現了自由空間144 km量子密鑰分配實驗，并加入誘騙態抵御光子分束攻擊，誤碼率約6.48%,安全密鑰率28 bit/s。

2.2 星-地量子密鑰分發全方位地面實驗

理論分析表明，對于低軌衛星(約400 km)平臺方案，大氣層的傳輸損耗、量子信道效率、背景噪音等問題都是需要克服的重要問題。尤其是低軌衛星和地面站始終處于高速相對運動之中，如何在有角速度、角加速度、隨機振動等情況下建立起高效穩定的量子信道，保持信道效率以及降低量子密鑰誤碼率，是基于低軌道衛星平臺實現量子密鑰分發面臨的關鍵性問題。因此要實現基于衛星的全球化量子密鑰分發，其全面的地面化論證是必不可少的。

我國的量子通信協同創新團隊在青海湖成功地進行了星-地量子密鑰分發的全方位地面驗證。他們自主研制了高速誘騙態量子密鑰分發光源和輕便的收發整機，自主發展了高精度跟瞄、高精度同步和高衰減鏈路下的高信噪比及低誤碼率單光子探測等關鍵技術。在此基礎上驗證了星-地之間安全量子通信的可行性[1]。

2.2.1 基于轉臺和熱氣球的運動浮空平臺量子密鑰分發實驗

該實驗的距離分別為40 km和20 km，都超過了大氣等效厚度。實驗中轉臺以士3°，15 s為周期做正弦運動，其最大速度大于1．2 °/s，最大加速度大于0．5 °/s2，均大于實際400 km低軌衛星參數。實驗在270 s的時問內得到53 kb的最終安全密鑰，密鑰產生率為194 bit/s，而最后的誤碼率只有2．727%。20 km的熱氣球實驗和40 km的轉臺實驗的效率相差不大。

2.2.2 車載和吊籃運動平臺的量子密鑰分發實驗

車載誘騙態量子密鑰分發的發射裝置、接收端兩者之間的直線距離約為32 km。實驗時汽車運動的速度一般在2 m/s以下。實驗的平均每秒安全密鑰數為116 bit/s，在總計121 s的有效實驗時間內得到了14 kb的最終安全密鑰，而信號態的誤碼率只有2．69%。

在車載實驗的基礎上還進行了吊車的誘騙態量子密鑰分發實驗。發射整機和發射機柜固定在吊籃之內，然后用吊車把吊籃吊起。實驗的距離分別依次選擇了8 km，15 km和20 km，實驗結果與車載實驗類似。

2.2.3 遠距離高損耗自由空間量子密鑰分發實驗

雖然大氣的等效厚度只有10～20 km，但是星-地之間超遠的距離還是會給最終的全球化量子密鑰分發帶來不可預知的困難，為了檢驗并克服由于長距離而給星-地量子密鑰分發帶來的困難，研究團隊進行了遠距離高損耗自由空間誘騙態量子密鑰分發實驗。

實驗直線距離約96 km。在此距離下的自由空間實驗必須考慮地球曲率的影響。實驗滿足了目視可及的條件。在總衰減達到50 dB的情況下，實驗成功實現了誘騙態量子密鑰分發，在728 s的時間內得到43 170 bit的最終安全密鑰，平均每秒的密鑰率為59．3 bit/s，而平均誤碼率只有3．09%。

研究團隊表示，實驗的一些技術細節還有很大的改進余地，作一些改進后，實驗容忍的總衰減將會進一步變大甚至達到60 dB；也就是說量子密鑰分發的距離還是很有潛力可挖的。

上述的一系列實驗應該說基本完備了低軌星-地量子通信的地面實驗和相關技術，為實現真實的星-地量子通信打下了堅實的基礎。

3 其它自由空間量子通信研究

自由空間量子通信是量子通信技術研究的熱點之一，各種資料很多，但與軍事應用相關研究的公開資料并不多。這里主要就個別公開報道的、實際進行了的、與軍事應用較密切的研究情況作一簡要的介紹和分析。

3.1 利用現有衛星的星-地光量子反射實驗

2008年，著名的Zeilinger研究小組就提出了一個利用現有在軌衛星的星-地光量子通信可行性實驗方案。方案中的量子發射源向距離地球1 500 km左右的衛星發射光量子，地面站通過辨別從衛星反射回來的光子來驗證衛星之間以及衛地之間量子通信的可行性。

2014年7月，物理學家組織網報道，意大利帕多瓦大學的1組研究人員通過對在軌飛行衛星的實驗，證實了衛星之間以及衛星與地面站之間進行量子通信是完全可能的。該小組精心挑選出了4個在軌運行的衛星，它們都具有能夠反射光子的金屬立體角反射鏡。研究人員認為，借助這些衛星保留光子的極化，將能夠讓太空量子通信成為可能。為了對比實驗結果，他們還選擇了另一個沒有立體角反射鏡的衛星。

當衛星過頂時，研究人員在意大利的馬特拉激光測距觀測站向所有的衛星都發出了光子信號，并測定衛星何時能將數據返回。研究人員發現，正如預期的那樣，沒有立體角反射鏡的對照，衛星出現了高達50%左右的錯誤率，而另外4個具有立體角反射鏡的衛星，數據錯誤率全部都低于11%。他們認為這些衛星能夠與地面站之間進行完全安全的量子通信。

3.2 美國海軍近期公開資助的海上自由空間量子通信研究

2014年2月和6月，美國海軍研究辦公室(ONR)分別啟動了2個海上自由空間光量子密鑰分配研究項目：“海鑰”項目和“海嘯”項目。這2個項目的合同承包方分別為BBN科技公司和應用通信科學公司(ACS)。

海鑰項目第1年的任務表述為：(1)確定海上QKD的脆弱性；(2)完成QKD系統設計。

根據海鑰項目季度進展報告，研究團隊已在量化工作于海洋環境自由空間光鏈路中會遇到的非理想性情況。包括：(1)大氣吸收的影響；(2)氣溶膠的影響；(3)水蒸氣的影響；(4)湍流誘發的幅度和相位波動的影響；(5)黑體和天空輻射對探測器背景計數的影響等。

海嘯項目的目標是優化工作在海洋大氣條件下的自由空間光量子密鑰分發的性能；最大化在各種大氣條件下系統的吞吐量和傳輸距離。項目開始時的重點領域包括開發超糾纏源模型和海上自由空間信道損耗模型。

根據海嘯項目季度進展報告，研究團隊已在對超糾纏源的架構以及相關技術要求進行進一步設計；針對低能見度條件下系統工作在紅外中波和長波波段所具有的實際優勢進行MODTRAN模擬。

3.3 水下自由空間量子通信理論研究

比較而言，有關水下量子通信方面的研究相對遲緩，中國海洋大學物理系的水下量子通信研究較為引人注目。

2014年4 月，中國海洋大學史鵬等人在arXiv 網站上發表了“水下自由空間量子密鑰分配的可行性”的文章，報道了他們的水下量子密鑰分配的理論分析結果。

該團隊通過水下自由空間量子密鑰分配信道模型，研究了水下介質對光的吸收和散射特性。用矢量輻射傳輸理論和蒙特卡羅方法對偏振單光子在海水信道中的傳輸過程進行了數值模擬，并分析了海水信道及光學接收系統各參數對水下量子密鑰分配的影響，進而從理論上論證了在夜晚背景光噪聲較弱的清澈大洋海水中，可實現百米范圍內絕對安全的量子密鑰分配[2]。

有其他的研究人員最近也表明，波長在400 nm和500 nm的藍綠色光有可能在清澈的海水中，以每秒10兆位的速率，在高達350 m距離上來傳送信息。此次史鵬等人得出的具體結論是，應該能夠以大約215 kbit/s的速率在清澈的海水中，以125 m的距離傳送數據，“這可以用于加密大多數的音頻信息和一些水下通信中的低比特率視頻信息”[3]。

對史鵬等人的結論，有國外評論指出，大氣中的量子密鑰分發早期測試，開始時的距離也是很有限的(1 m以內)，但在2007年，研究人員報告成功的距離超過了144 km。

3.4 飛機與地面間自由空間量子通信實驗

2012年德國慕尼黑大學Sebastian Nauerth等人首次報道了飛機與地面間20 km基于BB84協議的量子密鑰分配實驗，誤碼率為4.8%。

4 結束語

量子安全通信是目前唯一在理論上被證明具備無條件安全性的通信方式。有專家稱，目前的研究從理論上基本解決了實際系統安全性問題[4],而且已有實驗實現了200 km的與測量器件無關的量子密鑰分發，解決了所有針對探測系統的攻擊。在科研人員的努力下，地面自由空間量子通信的實驗研究也基本完備。所有這些無疑向人們展開了一個將量子通信技術應用于海軍遠程安全通信的想象空間。

[1] 楊彬.自由空間量子通信技術的實驗研究[D].合肥:中國科學技術大學，2012.

[2] 李文東，史鵬，趙士成，顧永建.水下量子密鑰分配的理論分析[A].第十六屆全國量子光學學術報告會報告摘要集[C]，2014：146.

[3] Peng Shi,Zhao Shi-Cheng,Li Wen-Dong,Gu Yong-Jian.Feasibility of underwater free space quantum key distribution[EB/OL].http://www.arxiv.org/，2014-04-06.

[4] 徐兵杰，劉文林，毛鈞慶，楊燕.量子通信技術發展現狀及面臨的問題研究[J].通信技術，2014，47(5):463-468.

Overview of Free-space Quantum Communication

WANG Shuo

(The 722th Research Institute,CSIC,Wuhan 430079,China)

To achieve quantum communication in military communication field,it is necessary to solve the long-distance and wireless application of quantum communication, i.e.,it is necessary to try to achieve the free space long-distance quantum communication.Starting from the angle of applying quantum communication technology to long-distance secure communication among various military platforms,this paper gives the development overview of long-distance quantum communication in the atmosphere,the experiment study status of current satellite-to-ground quantum communication,and the feasibility study of underwater free-space quantum key distribution.

free-space;quantum communication;key distribution;secure communication

2015-04-29

TN918

A

CN32-1413(2015)04-0052-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.014