研究人员成功展示了空间实验室和四个地面站之间进行量子密钥分配
研究人员报告了使用中国空间实验室天宫二号和四个地面站上的紧凑型量子密钥分发终端进行的空对地量子密钥分发（QKD）网络的实验演示。新的QKD系统的重量不到研究人员为Micius卫星开发的系统的一半，该系统被用于世界上第一次量子加密虚拟电话会议。
图：研究人员使用中国空间实验室天宫二号和四个地面站上的紧凑型QKD终端，通过实验演示了空对地QKD网络。
来源：Cheng-Zhi Peng, University of Science and Technology of China
该实验代表了朝着基于小卫星的实用型量子密钥分发迈出的重要一步，这种系统设置被认为是创建全球量子通信网络最有前景的途径之一。
中国科技大学的研究小组成员Cheng-Zhi Peng说：“QKD通过使用单个光子在两个远程终端之间编码信息，提供了极高的安全性。”。“我们开发的紧凑型系统可以使用小型卫星，从而降低实施QKD的成本。”
相关研究成果发表在《Optica》上。他们还发现，建立一个与赤道成不同角度或倾角的卫星网络，可以提高QKD的性能。
Peng说：“我们的工作证明了基于紧凑的卫星有效载荷和不同轨道类型的卫星的空-地QKD网络的可行性。”。“在不久的将来，这种类型的QKD系统可以用于需要高安全性的应用，如政府事务、外交和金融。”
缩小QKD系统
QKD利用光的量子特性生成用于加密和解密数据的安全随机密钥。在之前的工作中，该研究小组使用Micius卫星演示了星地量子密钥分配和卫星中继洲际量子网络。然而，该卫星上使用的QKD系统体积庞大，价格昂贵。该系统大约有一台大型冰箱那么大，重量约130公斤，需要130瓦的功率。
图：研究人员创造了一个紧凑的有效载荷-如地面实验所示-使天宫二号空间实验室能够充当卫星QKD终端。它包括跟踪系统、QKD发射机和激光通信发射机。
图片来源：Cheng-Zhi Peng, University of Science and Technology of China
作为中国量子通信计划的一部分，研究人员试图开发和演示一个更实用的天地量子密钥分配网络。为此，他们开发了一种紧凑的有效载荷，使天宫二号空间实验室能够充当卫星QKD终端。QKD有效载荷由跟踪系统、QKD发射器和激光通信发射器组成，重量约为60公斤，需要80瓦的功率，大小约为两个微波炉。
Peng说：“这种有效载荷尽可能集成，以减少体积、重量和成本，同时实现支持空间到地面QKD实验所需的高性能。”。“它还必须非常耐用，以承受恶劣的条件，如发射期间经历的严重振动和空间的极端热真空环境。”
研究人员在2018年10月至2019年2月期间的15个不同的日子里，在空间实验室终端和四个地面站之间成功地分配了安全密钥，共进行了19次QKD实验。这些实验在夜间进行，以避免白天背景噪声的影响。
研究人员发现，空间实验室的中等倾角轨道（~42°）允许在一个晚上多次通过一个地面站，这增加了可以生成的密钥数量。他们还建立了一个模型来比较不同轨道类型的基于卫星的QKD网络的性能。他们发现，将具有中等倾角轨道（如空间实验室）的卫星与在极地地区运行的太阳同步轨道相结合，可以获得最佳性能。
下一步
研究人员目前正致力于通过提高QKD系统的速度和性能、降低成本以及探索日间卫星到地面QKD传输的可行性来改进QKD。Peng说：“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信息系统。”。“该系统可以与一颗中高轨道量子卫星和地面上基于光纤的量子密钥分配网络相结合，创建一个空-地一体化量子网络。”
[1] Y. Li, S.-K. Liao, Y. Cao, J.-G. Ren, W.-Y. Liu, J. Yin, Q. Shen, J. Qiang, L. Zhang, H.-L. Young, J. Lin, F.-Z. Li, T. Xi, L. Li, R. Shu, Q. Zhang, Y.-A. Chen, C.-Y. Lu, N.-L. Liu, X.-B. Wang, J.-Y. Wang, C.-Z. Peng, J.-W. Pan, “Space-ground QKD network based on a compact payload and medium-inclination orbit,” 9, 8 (2022).
DOI: 10.1364/OPTICA.458330.
