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量子空间竞赛日趋激烈

发布:HPLSElaser    |    2017-09-12 19:59    阅读:290
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中国“墨子号”量子科学实验卫星成功进行的星地量子密钥分发实验证明了未来全球范围内的量子安全通信将成为可能。最近的四项实验突破表明,量子安全通信有能力在2020年之前实现。

通过加密实现的安全通信对于现代社会而言是必不可少的。密码的安全性依赖于分配给通信双方Alice和Bob的两个随机数。这些随机数(每个随机数通常有256位)的序列将被用作通信加密的密钥。为了保证通信安全,密钥必须保密,不得被任何窃听者(被称为Eve)截取。

目前的密钥分发依赖于公共密钥加密系统,其安全性基于解决复杂的计算难题,例如整数的因数分解问题。但是这些方案的问题在于密码技术一直处于发展之中。原则上来说,窃听者Eve能够监视和记录Alice和Bob的公共密钥协商过程,然后用更先进的技术比如量子计算机攻击并破解公共密钥,追溯并读取过去的通信。

未来,通过使用量子密钥分发(QKD)技术在光子域中进行密钥分配,就能够依靠量子物理学实现进行更强大和可靠的安全通信。《自然•光子学》(Nature Photonics)、《科学》(Science)和《光学设计》(Optica)杂志分别报道了四项最新的实验结果,宣告了在全球范围内使用卫星量子密钥分发的安全通信已经接近现实。

量子密钥分发技术是在1984年由美国国际商用机器公司研究院(IBM Research)的Charles Bennett与蒙特利尔大学(University of Montreal)的Gilles Brassard共同发明的。被称为“BB84协议”的量子密钥分发协议允许Alice通过传送一组单光子与Bob建立共享密钥,其极化状态是从四种状态中随机选择的,Bob从收到的光量子中提取出一个密钥。该技术的保密性是由量子物理学的两个基本原理来保证的:不可克隆原理和不确定性原理。不可克隆原理禁止量子态的准确复制,不确定性原理使得窃听者Eve无法不留痕迹地篡改量子系统。

研究人员从20世纪90年代初开始,就能够使用光纤技术和光纤通信基础设施实现量子密钥分发,而且能够使用仅仅包含一个光子的衰减极快的激光脉冲来代替单光子源,这在技术上更具有挑战性。量子密钥分发目前已在多个国家的同城光纤网络上得到了验证。由于与常规光通信相比,Alice不能简单地通过增加光传输功率扩展通信范围,因为增加发射机的光子数将有可能被窃听。而且,当Alice与Bob之间的通信距离增加时,由于信噪比将不可避免地随着损耗的增加而下降,Bob所接收量子信号的量子误码率(QBER)也将增加,一旦超过阈值,那么Bob将无法提取出密钥。

20世纪90年代后期研究人员提出,利用自由空间视距和基于卫星的量子通信来克服光纤量子密钥分发的距离限制。幸运的是,地球大气在800nm和1550nm的电信波长下具有低损耗的传输窗口,从而允许利用光通信技术在自由空间进行量子密钥分发。此外,目前已经成熟的建立和维护卫星和光学地面终端之间光通信的发射、接收和跟踪方法,经过一定的技术扩展即可应用于星地量子密钥分发。这提高了光学地面站进行密钥更新的安全性,在轨卫星能够使用这些新密钥来保护下行链路数据或保护地面站将指令上行到卫星。此外,如果第二个地面终端建立了新密钥,卫星能够帮助两个终端之间进行安全的密钥交换,从而保证了地面链路的安全通信。量子通信卫星网的建立将使全球范围内的量子安全通信成为可能(见下图)。


星地量子通信正在为新的安全通信技术打开大门。量子通信卫星和具有量子加密链路的地面终端(红色标记)组成的通信网将实现全球范围内的安全通信。地面终端的数量越多,量子卫星通信受天气影响越小,可用性越高。

21世纪前十年,北美和欧洲的量子通信研究人员已经实现了在数公里视距范围内的全天候量子密钥分发。这些地面实验证明,通过光谱、空间和时域滤波组合能够减少来自背景光子的噪声,满足卫星量子密钥分发的量子误码率要求。后来,卫星成为了地面通信链路结构的替代者,研究人员将工作波长为800nm的“BB84”发射器安装在卫星而不是地面基站上,对于低地球轨道(LEO)卫星而言,发射器仅需要10~30cm的通光孔径。在这种通信链路中,通过位于卫星上的发射机传输信号,光学远场能够减少来自空气湍流的链路损耗,并且不需要将敏感的单光子探测器安装在恶劣的环境中。已经广泛应用于卫星光通信和卫星激光测距的直径1m的地面接收望远镜将足以承担1000公里典型范围内的高质量通信链路。在最近十年,研究人员将发射器安装在飞机或气球上进行对地量子密钥分发实验,以及对从卫星反射器上返回的单光子进行检测。然而,由于基于卫星的量子密钥分发是一项全新的技术,因此卫星的在轨测试至关重要。

星地量子密钥分发的第一个基本要求是低轨卫星的有限尺寸、重量和功率分配必须符合量子通信发射机的要求。第二,从地面接收机的角度来看,低轨卫星的快速轨道运动引入了多普勒频移,必须进行补偿才能进行关键的密钥提取。第三,接收机中的极化分析轴要与发射机的极化分析轴精确对准。因此,低轨卫星中用于将发射器和接收器望远镜指向彼此的双轴机械平衡节在星地光学器件中引入了连续补偿的几何旋转。日本和中国的研究团队最近进行了卫星在轨实验,实现了低轨卫星量子密钥分发的三个关键要求。

位于日本小金井市的日本国家信息通信技术研究所(NICT)的Masahide Sasaki和Morio Toyoshima领导的研究团队宣称使用空间光通信研究先进技术微卫星(SOCRATES)进行了量子空间通信实验。他们将800nm波长量子通信发射机搭载在卫星上的小型光转发器(SOTA)激光通信终端上。NICT团队使用1m直径的光学地面站进行单光子检测,验证了多普勒补偿、时间滤波和极化跟踪的方法,实现了量子密钥分发所需的低量子误码率。该任务实际上并不涉及完整的量子密钥分发协议的传输和接收,但是从其结果来看,NICT团队为小型发射机提供了一条完整的低轨卫星实验流程。然而,由于SOCRATES卫星的空间有限,SOTA上安装的发射器天线指向不精确,因此必须拓宽量子束的发散度,因此发射机产生的光子数多于1个,才能确保单光子能够到达地面站。但是对于真正安全的量子密钥分发而言,量子信号必须保持单光子,这将需要更窄的传输波束来实现接收机所需的低量子误码率。这又需要精确的定位机构,例如发射器中的快速导向镜以消除平台抖动,并且将单光子精确地指向地面接收器。NICT研究团队已经在光学跨轨道通信工程测试卫星(OICETS)任务期间,在800nm波长完成了一次窄波束低轨卫星对地通信实验,且具有必要的指向精度,这对于未来的量子密钥分发卫星实验具有指导意义。SOCRATES的结果凸显了在小型卫星通信网中将量子密钥分发与激光通信结合,实现全球安全通信的巨大吸引力。

中国科学技术大学(USTC)潘建伟教授领导的研究团队报告称,中国的量子实验卫星“墨子号”(Micius)正在进行量子密钥分发实验。每对纠缠光量子中的其中一个光子被送到地面站,而另一个光子则被送到相隔1203公里远的另一个地面站。当卫星在两个地面站的共同视野中进行夜间通信时,该团队能够在两个地面站中观测到超过100对同步光子,从而验证了在如此远的距离中持续存在的量子纠缠。一般而言,实验数据可使用量子信息科技先驱Artur Ekert所发明的“E91”量子密钥分发协议在两个地面站之间建立密钥。但是公布的数据表明,实验的量子误码率接近量子密钥分发的阈值,每个卫星信道中只包含约100对同步光子,这表明数据只能传输少数几个密钥。然而,单个接地终端的“BB84”量子密钥分发下行链路的每次通信都能够产生实际加密所需的大量密钥。中科大的实验证明了同步和极化跟踪技术。据报道,“墨子号”卫星还搭载了用于进行单独量子密钥分发实验的设备,该实验的结果现在受到国际量子通信界的密切关注。

日本NICT和中科大团队使用的800nm波长在夜间能够提供出色的量子密钥分发性能。然而,该波长在白天的可用性会降低,这可能导致当卫星在地平线附近或靠近太阳时,量子误码率将高于量子密钥分发的阈值。针对该问题,潘建伟教授领导的另一支研究团队在中国西部地区进行了53公里的视距地面实验,提高了白天量子密钥分发的性能。他们将实验的工作波长转移到了1550nm,使得天空背景的影响较低,并使用窄传输波束和快速导向镜来减少损耗,以及通过在接收器处将光子聚集到单模光纤的小孔径中实现空间滤波。这种波长选择需要将收集到的光子转换到800nm波长,以便用高效的低噪声单光子检测器进行检测,以及利用波前校正将高效的单光子收集到光纤中。这些实验结果表明,如果发射机的大型光学部件能够搭载在航天器上,那么1550nm波长的量子密钥分发卫星下行链路具有更加优异的性能。

同时,德国马克斯普朗克光电科学研究所的Gerd Leuchs领导的研究团队在《光学设计》(Optica)中公布了对地球同步光通信卫星光信号的第一次量子限制检测。研究团队在德国阿尔法卫星(Alphasat)上的激光通信终端发射了1064nm的相干量子态,并使用零差检测方法在位于西班牙特内里费的移动式自适应光地面站进行了接收。结果表明,采用相位编码方法,能够利用现有的低轨航天器相干光通信技术进行量子通信。

综合来看,最近各国的实验结果均表明,卫星量子密钥分发的几种技术途径是可行的。在2020年以前,很可能将有多个国家完成在轨卫星量子密钥分发实验,这将为在21世纪20年代前实现全球范围内量子安全通信的长期目标铺设道路。

来源: www.nature.com/nphoton/journal/v11/n8/full/nphoton.2017.124.html?foxtrotcallback=true

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