星地量子通信

中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室潘建偉院士及其同事彭承志等，與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成的協同創新團隊，在國際上首次成功實現了星地量子密鑰分發即所謂的“星地量子通信”的全方位的地面驗證，為未來實現星地量子通信的全球化量子網絡奠定了堅實的技術基礎。這是中科院量子科技先導專項繼2012年實驗實現拓撲量子糾錯和百公里自由空間量子態隱形傳輸與糾纏分發後取得的又一階段性重要突破，同時也是量子信息與量子科技前沿協同創新中心的最新重要成果。 ^[2] 

量子密鑰分發是最先有望實用化的量子信息技術，其物理原理保證的無條件安全性使科學家們一直致力於全球化量子密鑰分發的研究。要實現全球量子密鑰分發網絡，人們需要突破距離的限制。由於光纖損耗和探測器的不完美性等因素的限制，以光纖為信道的量子密鑰分發的距離已基本到達極限。而由於地球曲率和遠距可視等條件的限制，地面間自由空間的量子密鑰分發也很難實現更遠的距離。因此要實現更遠距離的甚至是全球任意兩點的量子密鑰分發，基於低軌道衞星的量子密鑰分發成為實現星地量子通信最有潛力和可行性的方案。

理論分析表明，對於低軌衞星平台方案，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。尤其是低軌衞星和地面站始終處於高速相對運動之中，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，是基於低軌道衞星平台實現量子密鑰分發面臨的關鍵性問題。

為了克服星地量子通信（星地量子密鑰分發）的困難，中科院協同創新團隊在中國科大上海研究院、中科院上海技物所和光電技術研究所進行了多年的合作技術攻關，自主研製了高速誘騙態量子密鑰分發光源和輕便的收發整機，自主發展了高精度的跟瞄、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，協同創新團隊利用旋轉平台來模擬低軌道衞星的角速度和角加速度，利用熱氣球來模擬隨機振動和衞星姿態，利用百公里地面自由空間信道來模擬星地之間高衰減鏈路信道，從而成功地驗證了星地之間安全量子信道的可行性。

研究為我國通過發射量子科學實驗衞星實現星地量子通信的全球化量子網絡，和在大尺度量子理論基礎檢驗，以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論奠定了必要的技術基礎。由於量子密鑰分發實用化應用基礎研究的重要性，同期的《自然·光子學》還分別報道了德國慕尼黑大學研究小組關於飛機與地面的量子密鑰分發，以及法國國家科研中心聯合團隊關於連續變量的遠距離量子密鑰分發的重要實驗成果。

2021年1月7日凌晨，中國科技大學教授潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作，在國際學術期刊《自然》雜誌上發表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡”的論文，證明了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。

據介紹，《自然》雜誌審稿人評價稱，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發網絡，是量子通信“巨大的工程性成就”。 ^[3]