天宮二號與地面站完成空—地量子保密通信試驗

記者從中國科學院獲悉，中國科學技術大學潘建偉院士科研團隊與中國科學院大學杭州高等研究院院長王建宇院士團隊，通過“天宮二號”和4個衛星地面站上的緊湊型量子密鑰分發（QKD）終端，實現了空—地量子保密通信網絡的實驗演示。相關論文近日刊登在國際學術期刊《光學》上。

據了解，科研團隊通過高精度自動跟瞄系統與“天宮二號”上的量子密鑰分發終端相配合，在地面站與目標飛行器之間建立起量子信道，并在此基礎上開展了空—地量子密鑰分發試驗。

2016年9月，“天宮二號”共搭載14項應用載荷和設備成功發射。其中就有一顆大概兩個微波爐大小、重量不足60千克的針對量子密鑰分發實驗的載荷。據介紹，“天宮二號”搭載的量子密鑰分發載荷，就是以實現空—地實用化的量子密鑰分發為目標，通過天上發射一個個單光子并在地面接收，生成量子密鑰。

2017年，“天宮二號”順利完成了和南山地面站之間的量子密鑰分發實驗。2018年，“天宮二號”開始驗證組網的能力，科研團隊利用“天宮二號”在分別位于南山、麗江、興隆和德令哈的地面站之間，進行了19次量子密鑰分發實驗，讓地面上兩處距離遙遠的雙方實現了量子密鑰共享。

飛行在軌的3年時間里，“天宮二號”和“墨子號”衛星進行了緊密合作。2016年8月，世界首顆量子科學衛星“墨子號”升上太空。“墨子號”量子密鑰分發系統重約130千克，需要130瓦的功率，其科學實驗任務還包括雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態在內的糾纏相關量子通信實驗等。而“天宮二號”搭載的量子密鑰分發載荷，體積和重量不到“墨子號”載荷的一半，運行功率為80瓦，它肩負著“小型化載荷”和“中等軌道傾角”兩項任務，目標也只針對量子密鑰分發實驗。

由于“墨子號”是太陽同步軌道運行，一天單軌；而“天宮二號”一天多軌道運行，高度為400千米，正適合低軌、中等傾角的需求，并且可以進一步嘗試空—地量子密鑰分發應用。“天宮二號”空間實驗室的中等傾角軌道允許在一晚內多次通過單個地面站，這增加了可以生成的密鑰數量。研究人員還建立了一個模型來比較不同軌道類型的、基于衛星的量子密鑰分發網絡的性能。結果顯示，將具有中等傾角軌道的衛星與穿越極地地區的太陽同步軌道相結合，可以獲得最佳性能。

“從實用的角度來說，必須構建由高、中、低軌道衛星組成的量子星座，建立覆蓋全球的量子通信網絡。”王建宇表示，這是小型衛星星座向實用化量子保密通信邁出的重要一步，也被認為是創建全球量子通信網絡最有希望的途徑之一。