自由空间量子通信综述

王 硕

(中国船舶重工集团公司第722研究所，武汉 430079)



自由空间量子通信综述

王 硕

(中国船舶重工集团公司第722研究所，武汉 430079)

要在军事通信领域里实现量子通信，就要解决量子通信的远程、无线应用问题，也就是要设法实现自由空间的远程量子通信。从将量子通信技术应用于各种军用平台远程安全通信的角度出发,给出了大气远程量子通信的发展状况，目前星-地量子通信实验研究的情况，以及水下自由空间的量子密钥分配可行性研究。

自由空间；量子通信；密钥分发；保密通信

0 引 言

在有关信息领域新技术的各种媒体报道中，“量子通信”是个出现频率很高的词。实际上,在量子信息领域完成了论证、实验，并初步进入实用化的技术到目前只有“量子密钥分发(QKD)”。而采用了QKD技术的保密通信也只是在密钥的生成或分发上部分地应用了量子态，所以目前所说的初步实用化的“量子通信”，严格地讲应是量子密钥保密通信。

与经典安全通信相比，量子通信在安全性上具有无法比拟的天然优势。目前，基于光纤信道的量子通信技术已趋于成熟，然而量子中继方案虽然有了充分的演示实验验证，但要达到实际应用的水平还需进一步突破技术难点。因此，基于光纤信道的量子通信最远距离被限制在百公里量级。要在大范围内实现量子通信，尤其是在军事通信领域里实现，就必须解决量子通信的远程、无线应用问题，也就是必须要设法实现自由空间的远程量子通信。

1 星-地远程量子通信概念

地面间的自由空间量子通信，因为受地球曲率和地面大气层中各种物理作用的影响，其最远距离只能达到100 km以上。而对于地面-卫星之间的自由空间信道来说，其衰减主要集中在地面大气层部分，这部分的大气厚度约等效于地表水平方向大气的5～10 km，往返2次的信道衰减也就等效于10～20 km。光子在经过了地面大气层部分后，在其上层的传输衰减则是可以忽略不计的。因此人们设想通过链接地-星，星-星(也可能不需要)，星-地来建立远程的高稳定低衰减的量子信道，从而实现量子通信的远程应用，如图1所示。

图1 卫星远程量子密钥分发

目前，科学界在大量实验与理论研究的基础上普遍认为，通过卫星中转的方式进行远距离量子通信，是实现大范围量子通信的最佳方案。正是在这种认识下，星-地量子通信技术的研究成了量子通信研究领域中极为引人关注的一个热点。我国在这方面的研究工作已处于世界领先水平，目前已完成了卫星量子通信实验有效载荷的航天工程初样研制工作，并计划在2016年发射相关的量子科学试验卫星。

自由空间量子通信“在高损耗的地面成功传输100 km，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1 000 km以上”。当前星-地量子通信研究的快速进展，已清晰地向人们展开了一个将量子通信技术用于海军远程安全通信的想象空间。

2 星-地量子通信的实验验证

星-地自由空间信道相比光纤信道在大尺度上具有特别的优势，概要归纳为：(1)克服地表曲率、没有障碍物的阻碍；(2)只相当于5～10 km的水平大气等效厚度；(3)大气对某些波长的光子吸收非常小；(4)大气能保持光子极化纠缠品质；(5)外太空无衰减和退相干。这些优势促使人们更多地从星-地自由空间信道寻求突破，从而提出了星-地量子通信的构想，并实施了一系列与星-地量子通信可行性相关的实验。

2.1 国际上有代表意义的地面自由空间量子通信实验

第1个自由空间量子密钥分配演示实验是1989年由IBM实验室的Bennett及加拿大蒙特利尔大学的Bessette等在实验室光学平台32 cm距离上实现的。实验所得筛选密钥误码率为4%，安全密钥为1.3 bit/s。表1列出部分1 km以上距离的、有代表意义的自由空间量子密码实验的相关信息。

表1 部分自由空间量子密码实验的相关信息

其中，美国洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)基于偏振编码B92协议的自由空间1 km量子密钥分配实验，其误码率为1.5%。2002年实现了 10 km白天和夜晚量子密钥分配实验，白天工作误码率(5.0±2.2) %，安全密钥率150 Hz；夜晚误码率为(2.1±0.7) %,安全密钥率为420 Hz。同年，德国慕尼黑大学和英国军方下属研究机构合作的23.4 km自由空间量子密钥分配实验，误码率约5%，安全密钥率400 Hz。2006、2007年，欧洲五国联合实验小组实现了自由空间144 km量子密钥分配实验，并加入诱骗态抵御光子分束攻击，误码率约6.48%,安全密钥率28 bit/s。

2.2 星-地量子密钥分发全方位地面实验

理论分析表明，对于低轨卫星(约400 km)平台方案，大气层的传输损耗、量子信道效率、背景噪音等问题都是需要克服的重要问题。尤其是低轨卫星和地面站始终处于高速相对运动之中，如何在有角速度、角加速度、随机振动等情况下建立起高效稳定的量子信道，保持信道效率以及降低量子密钥误码率，是基于低轨道卫星平台实现量子密钥分发面临的关键性问题。因此要实现基于卫星的全球化量子密钥分发，其全面的地面化论证是必不可少的。

我国的量子通信协同创新团队在青海湖成功地进行了星-地量子密钥分发的全方位地面验证。他们自主研制了高速诱骗态量子密钥分发光源和轻便的收发整机，自主发展了高精度跟瞄、高精度同步和高衰减链路下的高信噪比及低误码率单光子探测等关键技术。在此基础上验证了星-地之间安全量子通信的可行性[1]。

2.2.1 基于转台和热气球的运动浮空平台量子密钥分发实验

该实验的距离分别为40 km和20 km，都超过了大气等效厚度。实验中转台以士3°，15 s为周期做正弦运动，其最大速度大于1．2 °/s，最大加速度大于0．5 °/s2，均大于实际400 km低轨卫星参数。实验在270 s的时问内得到53 kb的最终安全密钥，密钥产生率为194 bit/s，而最后的误码率只有2．727%。20 km的热气球实验和40 km的转台实验的效率相差不大。

2.2.2 车载和吊篮运动平台的量子密钥分发实验

车载诱骗态量子密钥分发的发射装置、接收端两者之间的直线距离约为32 km。实验时汽车运动的速度一般在2 m/s以下。实验的平均每秒安全密钥数为116 bit/s，在总计121 s的有效实验时间内得到了14 kb的最终安全密钥，而信号态的误码率只有2．69%。

在车载实验的基础上还进行了吊车的诱骗态量子密钥分发实验。发射整机和发射机柜固定在吊篮之内，然后用吊车把吊篮吊起。实验的距离分别依次选择了8 km，15 km和20 km，实验结果与车载实验类似。

2.2.3 远距离高损耗自由空间量子密钥分发实验

虽然大气的等效厚度只有10～20 km，但是星-地之间超远的距离还是会给最终的全球化量子密钥分发带来不可预知的困难，为了检验并克服由于长距离而给星-地量子密钥分发带来的困难，研究团队进行了远距离高损耗自由空间诱骗态量子密钥分发实验。

实验直线距离约96 km。在此距离下的自由空间实验必须考虑地球曲率的影响。实验满足了目视可及的条件。在总衰减达到50 dB的情况下，实验成功实现了诱骗态量子密钥分发，在728 s的时间内得到43 170 bit的最终安全密钥，平均每秒的密钥率为59．3 bit/s，而平均误码率只有3．09%。

研究团队表示，实验的一些技术细节还有很大的改进余地，作一些改进后，实验容忍的总衰减将会进一步变大甚至达到60 dB；也就是说量子密钥分发的距离还是很有潜力可挖的。

上述的一系列实验应该说基本完备了低轨星-地量子通信的地面实验和相关技术，为实现真实的星-地量子通信打下了坚实的基础。

3 其它自由空间量子通信研究

自由空间量子通信是量子通信技术研究的热点之一，各种资料很多，但与军事应用相关研究的公开资料并不多。这里主要就个别公开报道的、实际进行了的、与军事应用较密切的研究情况作一简要的介绍和分析。

3.1 利用现有卫星的星-地光量子反射实验

2008年，著名的Zeilinger研究小组就提出了一个利用现有在轨卫星的星-地光量子通信可行性实验方案。方案中的量子发射源向距离地球1 500 km左右的卫星发射光量子，地面站通过辨别从卫星反射回来的光子来验证卫星之间以及卫地之间量子通信的可行性。

2014年7月，物理学家组织网报道，意大利帕多瓦大学的1组研究人员通过对在轨飞行卫星的实验，证实了卫星之间以及卫星与地面站之间进行量子通信是完全可能的。该小组精心挑选出了4个在轨运行的卫星，它们都具有能够反射光子的金属立体角反射镜。研究人员认为，借助这些卫星保留光子的极化，将能够让太空量子通信成为可能。为了对比实验结果，他们还选择了另一个没有立体角反射镜的卫星。

当卫星过顶时，研究人员在意大利的马特拉激光测距观测站向所有的卫星都发出了光子信号，并测定卫星何时能将数据返回。研究人员发现，正如预期的那样，没有立体角反射镜的对照，卫星出现了高达50%左右的错误率，而另外4个具有立体角反射镜的卫星，数据错误率全部都低于11%。他们认为这些卫星能够与地面站之间进行完全安全的量子通信。

3.2 美国海军近期公开资助的海上自由空间量子通信研究

2014年2月和6月，美国海军研究办公室(ONR)分别启动了2个海上自由空间光量子密钥分配研究项目：“海钥”项目和“海啸”项目。这2个项目的合同承包方分别为BBN科技公司和应用通信科学公司(ACS)。

海钥项目第1年的任务表述为：(1)确定海上QKD的脆弱性；(2)完成QKD系统设计。

根据海钥项目季度进展报告，研究团队已在量化工作于海洋环境自由空间光链路中会遇到的非理想性情况。包括：(1)大气吸收的影响；(2)气溶胶的影响；(3)水蒸气的影响；(4)湍流诱发的幅度和相位波动的影响；(5)黑体和天空辐射对探测器背景计数的影响等。

海啸项目的目标是优化工作在海洋大气条件下的自由空间光量子密钥分发的性能；最大化在各种大气条件下系统的吞吐量和传输距离。项目开始时的重点领域包括开发超纠缠源模型和海上自由空间信道损耗模型。

根据海啸项目季度进展报告，研究团队已在对超纠缠源的架构以及相关技术要求进行进一步设计；针对低能见度条件下系统工作在红外中波和长波波段所具有的实际优势进行MODTRAN模拟。

3.3 水下自由空间量子通信理论研究

比较而言，有关水下量子通信方面的研究相对迟缓，中国海洋大学物理系的水下量子通信研究较为引人注目。

2014年4 月，中国海洋大学史鹏等人在arXiv 网站上发表了“水下自由空间量子密钥分配的可行性”的文章，报道了他们的水下量子密钥分配的理论分析结果。

该团队通过水下自由空间量子密钥分配信道模型，研究了水下介质对光的吸收和散射特性。用矢量辐射传输理论和蒙特卡罗方法对偏振单光子在海水信道中的传输过程进行了数值模拟，并分析了海水信道及光学接收系统各参数对水下量子密钥分配的影响，进而从理论上论证了在夜晚背景光噪声较弱的清澈大洋海水中，可实现百米范围内绝对安全的量子密钥分配[2]。

有其他的研究人员最近也表明，波长在400 nm和500 nm的蓝绿色光有可能在清澈的海水中，以每秒10兆位的速率，在高达350 m距离上来传送信息。此次史鹏等人得出的具体结论是，应该能够以大约215 kbit/s的速率在清澈的海水中，以125 m的距离传送数据，“这可以用于加密大多数的音频信息和一些水下通信中的低比特率视频信息”[3]。

对史鹏等人的结论，有国外评论指出，大气中的量子密钥分发早期测试，开始时的距离也是很有限的(1 m以内)，但在2007年，研究人员报告成功的距离超过了144 km。

3.4 飞机与地面间自由空间量子通信实验

2012年德国慕尼黑大学Sebastian Nauerth等人首次报道了飞机与地面间20 km基于BB84协议的量子密钥分配实验，误码率为4.8%。

4 结束语

量子安全通信是目前唯一在理论上被证明具备无条件安全性的通信方式。有专家称，目前的研究从理论上基本解决了实际系统安全性问题[4],而且已有实验实现了200 km的与测量器件无关的量子密钥分发，解决了所有针对探测系统的攻击。在科研人员的努力下，地面自由空间量子通信的实验研究也基本完备。所有这些无疑向人们展开了一个将量子通信技术应用于海军远程安全通信的想象空间。

[1] 杨彬.自由空间量子通信技术的实验研究[D].合肥:中国科学技术大学，2012.

[2] 李文东，史鹏，赵士成，顾永建.水下量子密钥分配的理论分析[A].第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[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，刘文林，毛钧庆，杨燕.量子通信技术发展现状及面临的问题研究[J].通信技术，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