发展量子通信为何要上天

• 2023-07-09 08:56:37 来源：科普时报

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科普时报实习记者 李诏宇

(资料图片)

6月26日—27日，在世界互联网大会数字文明尼山对话成果展上，用于量子通信的“济南一号”量子微纳卫星吸引了人们的目光。近些年来，以“济南一号”为代表的量子卫星层出不穷，为什么不采用光纤等传统手段进行量子通信？发展量子通信为何要上天？

要想弄清这些问题，首先需要了解何为量子通信。中科院量子信息与量子科技创新研究院教授级高级工程师廖胜凯介绍说，量子通信是利用量子叠加态或纠缠效应进行信息传递的新型通信方式，主要分为量子密钥分发和量子隐形传态两种。

量子密钥分发指通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享安全的密钥，并利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的原理上无条件、安全的通信方式。

量子隐形传态则指利用量子纠缠，将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点，而不传送粒子本身，是构建分布式量子信息处理网络和量子计算机的基本要素。

为何利用光纤等传统手段难以真正实现量子通信？损耗问题是关键。“量子具有不可克隆原理，因此单光子量子信息不能像经典通信那样被放大，一旦传输距离较远，损耗问题就会变得极其严重。”廖胜凯指出，根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能传输一个比特的密钥，这显然是完全不现实的。

1200公里的光纤或许尚可制造，但每秒百亿发射率的单光子源，以及完美的探测器都不是目前技术等现实条件所能企及的，更何况人们也不可能等待数百万年来传输信息，于是科学家们被迫寻找其他解决问题的方法。

既然地面走不通，上天就成为一个可能的选择。“利用外太空几乎真空、光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信的距离。” 廖胜凯表示，“由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，使用卫星进行量子通信是全球尺度上实现超远距离实用化量子通信最有希望的途径之一。量子卫星的一个重要作用是作为中继扩展量子通信的距离，从而实现远距离通信。”

廖胜凯介绍说，量子卫星可以按照轨道的高度划分为低轨卫星（2000公里以下）、中轨卫星（2000—20000公里）和高轨卫星（20000公里以上），也可以按照重量划分为小卫星（100千克—500千克）、微卫星（10千克—100千克）、纳卫星（1千克—10千克）、皮卫星（0.1千克—1千克）、飞卫星（10克—100克）。

量子微纳卫星其实正是量子卫星的一种。在量子通信发展过程中，上天的量子卫星起到了重要而难以替代的作用。“通过许多量子卫星实现卫星组网，才能真正起到对于广域量子通信的支撑性作用。”廖胜凯表示。

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