潘建伟团队顶刊综述：全球量子通信网络路线图

从实践的角度来看，量子密钥分发如何在全球范围内发挥作用？

7月6日，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陆朝阳、曹原应邀在国际物理学权威综述期刊《现代物理评论》[1]（Review of Modern Physics）上发表了题为“基于‘墨子号’卫星的空间量子实验”（Micius quantum experiments in space）的长篇综述论文。本文可以视作全球量子通信网络的路线图。它全面回顾了自由空间量子实验、基于“墨子号”卫星的量子通信，并针对空间-地面一体化量子网络进行了前景预测。

值得一提的是，《现代物理评论》是国际物理学界最权威的综述性期刊，每年仅发表约四十篇学术论文。该期刊一般不接受自由投稿，主要是邀请各领域卓有建树的物理学家执笔，对当今物理研究的重大热点问题做历史总结、原理阐述、现状分析和趋向预测。此论文是潘建伟团队在该期刊上继2012年的《多光子纠缠和干涉度量学》[2]、2020年的《基于现实器件的安全量子密钥分发》[3]之后的第三篇综述论文。

全文内容由光子盒筛选后整理如下：

利用量子力学原理可以解决数百年来困扰数学家们的信息安全问题。Stephen Wiesner率先在20世纪70年代提出利用量子二态系统、共轭编码设计难以伪造的量子货币；20世纪80年代，Charles Bennett和Gilles Brassard提出了首个可行的量子密钥分发（QKD）协议——BB84，这是一种无条件安全的加密方法。

最近，国际科学界和产业界对量子密码的兴趣显著高涨，将量子密码技术推向了计算机科学和物理学的主流。特别是在1994年Shor量子因子分解算法提出之后，该领域的一个重要目标是将量子密钥分发的思想转化为一种实用的技术。QKD的小规模演示已经取得重大进展，但由于信道中光子损耗，通信范围扩大仍存在挑战。可扩展问题的潜在解决办法是使用中继器，但是目前的量子存储器、量子中继器无法实际应用。

更有希望的全球规模QKD解决方案是利用卫星：基于卫星的自由空间量子通信的重要优势是，由大气吸收和散射引起的光子损耗主要只发生在大气层的低层∼10公里，光子传输几乎没有退相干。因此，对于长距离通信（几百到几千公里），卫星到地面的自由空间信道将比基于光纤的信道在损耗方面更有优势。

除了QKD，太空中使用量子通信将有利于大规模测试量子物理学的基本原理。例如，量子力学预测可能在任意距离上观察到量子纠缠，有必要验证意外影响（如引力场）是否对距离存在限制；基于卫星的空间实验室将为量子光学实验提供平台，探究关于人类自由意志的长距离贝尔试验、量子力学与广义相对论等。使用基于卫星的自由空间信道可以视为将量子实验的空间尺度从几米扩展到几千公里（或更大量级），这将使我们能够在更大的长度尺度上探索量子世界的本质。

与地面的距离和设想的相应量子实验。

此篇综述的重点是基于卫星的量子通信和使用“墨子号”卫星的量子物理学实验。

“墨子号”专门用于量子科学实验，以公元前四世纪的中国哲学家墨子（Micius）命名，于2016年8月在中国发射。在发射后的一年内，实现了全球规模量子通信网络的三大关键里程碑：

卫星到地面的诱骗态（decoy state）QKD速率达千赫兹、距离达1200公里，以及北京到维也纳的洲际密钥交换；

基于卫星的纠缠分发到地球上相隔1205公里的两个地点，以及贝尔测试；

地面对卫星的量子隐形传态。

随着“墨子号”卫星的成功，预计一场与空间量子通信有关的国际竞赛即将开始。

单个粒子和纠缠的双粒子状态都可以应用于QKD。单粒子状态代表准备和测量方案，如BB84协议中Alice以两个互补基的四个状态之一发送每个量子比特；基于纠缠的QKD包括Ekert91等方案，其中纠缠的量子比特对被分配给Alice和Bob，然后通过测量各自的量子比特提取关键比特，其中每一方测量两个互补基中EPR对的一半。

量子加密协议。（a）BB84协议。协议目的是让发送方（Alice）通过传输单光子向接收方（Bob）发送一个密钥，将信息编码在量子态中。利用光子的四种偏振态，跨越两个基点（如，水平偏振|H⟩、垂直偏振|V⟩、对角线偏振|45°⟩，以及对角线偏振|-45°⟩）。信息编码中，用|H⟩和|-45°⟩代表比特0，|V⟩和|45°⟩代表比特1。操作步骤：1）Alice选择一组比特序列，随机编码将这些比特编码在光子偏振中；2）Alice将光子发送给Bob；3）Bob随机选择方案测量状态并获得原始密钥；4）Bob通过经典信道传播他对光子测量的选择；5）Alice对他们用于每个光子的编码和测量的相同/不同结果作出肯定/否定回答；6）他们放弃使用不同基础事件，保留剩余的数据作为私钥。注：步骤2）中的任何窃听都可以在这个最后检查中被发现。（b）Ekert91协议：通过分配EPR对在Alice和Bob之间共享秘钥。具体步骤为：1）Alice和Bob首先分享一个纠缠光子对；2）Alice和Bob收到光子后，随机、独立地选择测量基数；3）测量并登记一系列光子对。之后，公开所使用的测量基数，同时对结果保密；4）使用相同角度的测量结果作为原始密钥，并将其他结果用于贝尔不等式测试；5）如果违反了贝尔不等式，就排除窃听；否则，丢弃所有密钥。

1）量子密钥分发

原理证明后，一系列实验致力于将这些方案转化为实际应用。

1995年，英国电信实验室团队利用相位编码在10公里长的光纤上演示了量子密码；后来扩展到30公里，错误率为4%；后来，一个瑞士团队利用偏振编码，在1.1公里的光纤上成功测试量子密码学。

为克服光子在光纤中传输过程中随时间变化的偏振现象，研究在真实世界环境中使用已安装的光纤进行实地测试。1992-2000年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）使用Bennett协议在14公里长的地下光纤上进行量子密钥分发，错误率为1.2%；同一团队后来将这个距离增加到48公里，错误率为9%。

不过，这些早期QKD并不能用于现实设备。另一种传播介质——自由空间（free space），具有可忽略的双折射优势，因此允许光子偏振状态的高保真传输。1996年，Jacobs和Franson首次尝试在150米长的走廊上用荧光灯照明，在明亮的日光条件下室外传输距离超过75米；进一步的实验将这项工作扩展到室外环境，在0.5公里（2000年）、1.6公里（2000年）、10公里（2002年）和23.4公里（2002年）的距离上对衰减的激光脉冲进行点对点自由空间传输。这些初步测试表明，自由空间传输中的信噪比可以通过检测时间、窄频滤镜（narrow band filters）和空间滤波（spatial filtering）的组合来改善。

QKD发射器和接收器的偏振光学器件。

2）纠缠态分发

早先实验使用衰减的激光脉冲来模拟单光子。这种激光脉冲可能单个脉冲包含两个/更多光子，使系统存在光子数分离（PNS）的隐患。Ekert（1991）提出了基于纠缠的量子密码学，使用贝尔不等式来建立安全性。除了在量子密码中应用，纠缠分发也可用于基础研究：如，贝尔不等式检验、量子传送、分布式量子网络、计量学等量子信息任务。

（a）利用自发参量下转换产生纠缠光子对的实验装置（Kwiat等人，1995）；（b）首次在360米距离实现完全基于纠缠的量子密码。在351nm激光器的泵浦下，β-硼酸钡（BBO）晶体在波长702nm处产生纠缠光子，双光子重合率为～1700Hz。这些光子被耦合到500米长的光纤中，并分别传输给物理上相距360米的Alice和Bob。

2000年，Jennewein等人利用Wigner不等式建立了量子信道的安全性，它比原来的Ekert协议更高效：在500米的光纤距离上，量子比特错误率为3.4%；2000年，Ribordy等人使用实验室内光纤将基于纠缠的量子密码扩展到8.5公里：在1550nm的波长下产生了134Hz的原始密钥率，错误率为8.6%；2004年，Poppe等人展示了从市政厅到奥地利银行Creditanstalt总部、物理距离为650米、基于纠缠的量子密码系统的成功运行，实现实验室条件之外的真实场景应用。

3）量子隐形传态

1997年，量子隐形传态的首次演示（Bouwmeester等）激发了许多后续实验，如扩展到连续变量系统、构建更完整的光子态隐形传态等。

随后，量子隐形传态也被扩展到两个光子的复合状态、多个自由度、以及单个光子的更高维度。除了光子，量子隐形传态在其他物理系统中也得到了证明，如核磁共振、原子集、捕获原子和各种固态系统中。在纯物质系统（如捕获原子）中，远距离传输只在原子间短距离进行；扩大传送距离的方法之一是开发光-物质量子领域。2009年，利用光到物质的远距传输，光量子比特得以存储在静态介质中，这对于构建基于量子中继器方案的可扩展量子网络至关重要。

量子隐形传态可以理解为是一种概率性的量子无损测量方法，可以作为量子relay（没有量子存储器的量子中继器的简单版本）加以利用，能够适度延长量子通信距离。例如，2004年，科学家在相同的信噪比条件下，将单个光子的传输距离增加了约3倍。

1）安全漏洞

只有运用完美的单光子源和探测器时，量子密码才安全。然而，理想设备在实践中并不存在：现实的QKD可能会引入安全分析模型偏差，黑客会利用这些不完善，发动量子攻击。

因此，量子密码编译者和破译者间的军备竞赛已经持续了20多年。参与者的目的是评估真实系统与理想系统的偏差，从而建立现实设备QKD的实际安全性。2000年，提出了著名的量子黑客策略——光子数分离（PNS）攻击，由于来自准单光子源的脉冲中偶尔会有两个相同的光子事件，PNS攻击允许黑客选择性地抑制单光子信号和分割双光子信号，为自己保留一份信号而不被Alice和Bob发现。由于这个漏洞，光纤中QKD的安全距离被限制在10公里。

为解决这个问题，理论上提出了诱骗态QKD，已在实验中得到了证明。如今，诱骗态QKD已经成为实验中的标准技术。随后，理论和实验上提出了与测量设备无关的QKD，消除了检测系统的所有安全漏洞，并允许QKD网络在非信任中继下是安全的，足以对抗任何检测器的缺陷。至此，将与测量设备无关的QKD与具有自校准的自制光源相结合的量子密码系统被认为在理论上足以满足所有实际QKD应用。

2）远距离传输

小规模量子通信实验后，存在以下问题：什么限制了量子通信的距离？在光纤和地面自由空间通道中都有不可避免的光子损耗，这种损耗随着光纤传输长度的增加而呈指数级增长。

例如，在1000公里处，即使有10GHz的完美单光子源、理想的光子探测器以及微弱的光纤损耗，人们平均也只能检测到0.3个光子。经典通信中有可能放大0和1的信号；然而，未知的量子叠加态不能无噪声地被放大——这被称为“量子不可克隆定理”。虽然它保障了QKD的安全，但也排除了长距离量子通信中简单放大量子信号的可能性。

延长量子通信距离的一个策略是“分而治之”。

与只对经典比特起作用的经典中继器不同，量子中继器结合了纠缠交换（entanglement swapping）、纠缠纯化（entanglement purification）和光存储，原则上可以实现任意尺度的量子通信。量子中继器扩展量子通信距离背后的关键机制是将光子损耗的指数比例改为与信道长度相关的多项式关系。要做到这一点，整个信道必须被分为N段，这样每段内的直接传输都可以产生合理的、良好的信噪比。

量子中继器原理。（a）将通信信道分成N段。（b）使用纠缠互换在远程节点间建立纠缠。（c）使用纠缠纯化来获取远程节点间的高纠缠对。（d）使用量子存储器将单光子存储足够长时间，并检索单光子进行时间同步的双光子干涉。

事实上，量子传送和纠缠互换可以被认为是概率性量子无损测量的方法，可以利用它来延长量子通信的距离：最多可延长4倍。根据数值分析，实现1000公里量子中继器需要的参数仍然远超最先进的技术，因此，量子中继器不太可能在十年内实用化，现在有必要为全球规模的量子通信提供其他更有效的途径。

通常，对于光信号，自由空间中的衰减低于光纤中的衰减。例如，在较低的海拔处具有较高的吸收衰减；在地球大气层上方的真空中，吸收衰减几乎为零。大气的几乎非双折射特性保证了偏振状态的高度维持。然而，仅靠陆地自由空间信道是不够的：它们受到视线中物体的阻碍、天气条件和气溶胶可能造成的强烈衰减以及地球曲率影响。

因此，为了充分利用自由空间链路的优势，有必要发展空间和卫星技术。此外，大气的有效厚度约为5-10公里，光子的大部分传播路径位于空旷空间，这对于传输无法放大的单个光子至关重要。因此，在全球范围覆盖的量子密钥分发网络应用中，基于卫星的自由空间信道传输有望成为天文尺度量子光学实验的潜在路径和全新平台。

光纤和自由空间信道中的典型损耗。光纤的衰减参数为∼0.2dB/km。自由空间信道的参数基于“墨子号”卫星设计，在∼70公里距离上显示出优势。

量子科学卫星“墨子号”遵循中国科学院“空间科学战略优先研究计划”的框架。主要的科学目标包括（1）卫星到地面量子密钥传递；（2）从卫星到两个地面站的量子纠缠分发；以及（3）地面到卫星的量子传感。

“墨子号”计划于2011年被正式批准。第一颗原型卫星的建造于2012年开始，并在2014年完成。此后，项目转向建造卫星飞行模型，并在2015年11月完成。经过一系列的环境测试，包括热真空、热循环、冲击、振动和电磁兼容性测试等，重达635公斤的“墨子号”准备充分，2016年8月16日，卫星由“长征二号丁”（Long March 2D）火箭在中国酒泉卫星发射中心成功发射。

1）有效载荷

“墨子号”卫星为双层设计，有效载荷由两个光发射器（发射器1和2）、一个空间纠缠光子源（卫星的上层）、一个实验控制处理器和两个APT控制箱（卫星的下层）组成。

实验控制箱有六个主要功能：实验过程管理、随机数生成和存储、诱骗态光子源调制、同步脉冲记录、QKD后处理（包括原始密钥筛选、错误校正和隐私放大以获得安全最终密钥）和加密管理。两个发射器都包含一个望远镜和一个光学箱。为了减少发射损失，发射器2采用了离轴（off-axis）望远镜设计，专门用于将量子纠缠从卫星分发到两个独立的地面站。

“墨子号”卫星主要有效载荷。（a）“墨子号”卫星发射前的照片；（b）发射器1，用于量子密钥分发、纠缠分发和隐形传态；（c）发射器2，专门设计用于纠缠分发；（d）实验控制箱；（e）纠缠光子源。

光学箱主要包括一个跟踪系统、一个用于采样测量的集成接收模块，以及一个用于偏振校正的电动波片组合。两个发射器都包含一个多级APT系统：第一阶段涉及卫星高度控制，系统保持光子指向地面站，误差小于0.5°；第二阶段是粗控制环路，涉及发射机1的两轴万向节反射镜和发射机2的二维可旋转望远镜；第三阶段是精细控制环路，涉及由压电陶瓷和摄像机驱动的快反镜（FSM）。APT控制箱的重量为10公斤，主要包含粗跟踪环路和细跟踪环路的控制电子装置，功能具体为电机驱动器、快反镜（FSM）驱动器、粗反馈环路控制器和细反馈环路控制器。

发射器光学头。来自纠缠光子源的准直光束通过电动波片组合和激光扩束器，然后使用二向色镜与850nm同步激光器组合。（a）发射器1的光学头。（b）发射器2的光学头。

2）合作地面站

为了与卫星协调，需要建立新的地面站或对现有的地面站进行升级。中国总共有五个地面站：其中四个通过下行信道接收，一个通过上行信道发射，它们分别是：中国国家天文台兴隆观测站的1米口径望远镜（升级改造），用于卫星到地面的QKD；云南天文台丽江观测站的1.8米口径望远镜（升级改造），用于纠缠分发实验；新疆天文台南山观测站直径2米的望远镜（新建），用于纠缠分发和QKD实验；中国科学院紫金山天文台青海观测站直径1.2米的望远镜（新建），用于纠缠分发和QKD实验；位于西藏阿里的发射站有三台小型发射望远镜，专门用于从地面到卫星的量子隐形传态实验。

“墨子号”卫星的典型接收地面站。（a）两轴云台望远镜（Two-axis gimbal telescope）；（b）信标光和粗跟踪相机（coarse camera）；（c）光接收器盒；（d）接收器的典型光学设计，包括接收望远镜、ATP系统和QKD探测模块。

“墨子号”于2016年8月16日在中国酒泉成功发射，在500公里的高度上运行。如今，已经在全球范围内建立了相应地面观测站，以进行设计QKD、纠缠分发、量子隐形传态和量子物理学等基础测试实验。

1）卫星到地面的量子密钥分发

“墨子号”卫星发射后，第一个目标是建立空间-地面量子链路，进行卫星到地面的QKD。卫星每天在当地时间午夜，以太阳同步轨道通过每个地面站，持续时间约为5分钟。

卫星到地面QKD的实验过程。

星地量子密钥分发在一个轨道上的性能。（a）在兴隆地面站测量的“墨子号”卫星轨迹；（b）根据从卫星到站点的时间、物理距离筛选密钥速率；（c）观察到的量子误码率。（d）卫星和地面之间不同距离的下行信道衰减；（e）23天不同时间获得的QKD数据汇总。x轴是最短的卫星到站点间距离（发生在最高仰角，并且随时间变化），y轴是平均筛选密钥率。

上图是2016年12月19日获得的相关QKD数据案例。其中，卫星-观测站的距离为645-1200公里，在273秒后在地面站收集了3551136个探测事件，得到了1671072位筛选密钥（sifted keys）。为最终实现QKD应用，未来方向将主要集中在提高密钥率上。

2）卫星上的纠缠分发

“墨子号”卫星的第二个计划任务是将其空间纠缠光子双向分发到地球上两个遥远的地方。

长距离纠缠分发对于量子物理学基础性测试、可扩展量子网络都至关重要。然而由于信道损耗，以前实现的距离被限制在300公里以内。这主要是由于信道（光纤/地面自由空间）中的光子损耗，通常与信道长度成指数关系。例如，使用10MHz计数率的纠缠光子对直接通过两根600公里的电信光纤（损耗为0.2dB/km）进行双向分发，最终只能获得10-17/s的双光子重合事件。

（a）从卫星到青海、丽江的典型两条下行信道，在每个轨道上持续约275秒。卫星到青海的距离从545到1680公里不等；卫星到丽江的距离从560-1700公里不等，两个下行信道的总长度从1600到2400公里不等。（b）使用高强度激光和纠缠光子结合，测量一个轨道上的两个下行信道衰减。当卫星刚刚达到丽江站观测到的10°仰角时，在2400公里的总距离上，最大损耗为82dB。由于其望远镜（最大）直径为1.8米，因此比其他台站具有更高的接收效率；当卫星以15°以上的仰角飞越丽江时，信道损耗相对保持稳定（从64-68.5dB）。

为了完成纠缠分发，位于青海、乌鲁木齐南山和云南丽江观测站的三个地面站正与卫星合作，“墨子号”和这些地面站间的距离从500-2000公里不等。卫星每秒用两个望远镜发射5.9×106个纠缠光子对，在发射器和接收器中设计了级联的多级闭环APT系统，同时建立两个独立的卫星-地面量子链路。使用卫星上的激光器，可以实时测量两个下行链路的整体信道衰减，其范围从64-82dB。与普通商业电信光纤直接传输同一双光子源的纠缠分发相比，在275秒的覆盖时间内，基于卫星的有效链路的传输距离高17（12）个数量级。

3）基于纠缠的量子密钥分发

基于纠缠的QKD特别有吸引力，因为其固有的与源无关（source-independent）的安全性：允许在没有任何信任中继的情况下保证通信安全。

2020年，科学家在相隔1120公里的青海和南山地面站之间进行了一次实验，使用效率更高的望远镜和光学器件，QKD接收效率得到了极大提高。由于基于纠缠的QKD的源无关性，该系统对源中的任何漏洞都免的，剩下的就是确保两个地面站的检测安全。在实验中，科学家通过对不同自由度的过滤，包括频率、空间和时间模式，确保了公平采样的有效性。通过在226秒的有效收集时间内进行1021次贝尔测试，可以认为该系统是安全的。

基于纠缠的量子密钥分发实验装置。（a）“墨子号”卫星和两个地面站的图示；（b）-（d）对侧信道进行监测和过滤；（b）宽带和窄带滤波器传输；（c）具有/不具有盲攻击（blinding attack）的监测电路输出。在没有盲攻击时，输出是随机的单光子探测信号（黑点）；对于盲目攻击（从0.2毫秒开始），输出信号约为2伏，高于安全阈值进而触发安全警报；（d）空间中四种偏振的系统检测效率：对于空间滤波器，四种效率相同。

4）地面到卫星的量子隐形传态

“墨子号”卫星的第三个任务是将单个光子从阿里的观测站向卫星进行量子隐形传态，这是一个上行链路。与之前的下行链路相比，上行链路远程传输实验有两个额外的挑战：首先，单光子的远距离传输需要一个多光子干涉仪，其巧合计数率比典型的单光子/双光子实验低几个数量级；其次，上行信道的大气湍流发生在传输路径的开始阶段，这会增加行进光束的扩散量。最终，远程传输实验的保真度达到了0.80±0.01。

单光子地-星量子隐形传态装置，距离可达1400公里。（a）西藏阿里地面站照片上的卫星示意图。在量子隐形传态过程中，卫星和地面站之间的距离约为500-1400公里；（b）多光子装置，用于地面站的远程传输；（c）地面站的发射器；（d）卫星上的接收器。

5）卫星中继的洲际量子密钥分发

“墨子号”卫星可以被进一步利用，作为一个可信的中继站，方便地连接地球上的任何多个点，形成一个高安全的密钥交换网络。2017年，成功地进行了卫星到乌鲁木齐附近的南山地面站和维也纳附近的奥地利格拉茨地面站的QKD实验，最终密钥长度实现400-833 kbits。

演示中，兴隆和格拉茨之间建立了一个100kB的安全密钥。大约10kB的密钥被用来从北京到维也纳传输一张“墨子号”的图片（大小为5.34kB），以及使用一次一密从维也纳到北京传输一张薛定谔的图片（大小为4.9kB）。另外70kB的安全密钥与高级加密标准-128协议相结合，用于北京和维也纳之间75分钟的视频会议，总数据传输量约为2GB。

三个合作地面站（格拉茨、南山\兴隆）图示。列出了用于密钥生成的所有路径以及相应的最终密钥长度。

6）探测引力引起的退相干

“墨子号”卫星也为测试由地球引力引起的纠缠退相干提供了可行性。量子力学和相对论构成了现代物理学的基石：广义相对论预测了一种被称为封闭时间曲线（CTC）的奇异时空结构，CTC违反了因果关系，原则上可以由时空本身的量子波动形成。为了从理论上描述包含CTC的异域时空和普通时空的量子场，事件形式（event formalism）理论预测，量子场的不同演化会概率性诱发两个纠缠光子通过弯曲时空的不同区域的时间去向，这在标准量子理论中能够保持纠缠。

实验中，在阿里地面站准备了一个偏振纠缠的光子对，如下图所示。路径2的光子通过普通时空后在地面上被检测到，而它的孪生光子在弯曲时空传播后被卫星“墨子号”接收。由于引力不能诱发经典相关的退相干，所以可以使用相干激光代替参考。纠缠光子在传输前与路径1中微弱的相干激光脉冲相结合。然后，传输的相干光子与地面路径3的光子关联。两列纠缠和相干光子被移位一半的脉冲间隔（∼6ns），从而使卫星能够通过它们的到达时间来区分这些光子。

引力诱导纠缠退相干实验测试装置。

7）空间量子国际竞赛

如今，空间量子实验的国际竞赛正在开展，许多量子通信卫星项目已被批准。例如，自2010年以来，加拿大的QEYSSat项目一直由加拿大航天局研究，它在2017年、2019年分别获得150万美元、3000万美元的资金。其任务概念是与霍尼韦尔航空航天公司合作开发量子上行链路；2020年，Oberhaus报告NASA计划建立一个量子卫星链接——Marconi 2.0，希望在2020年代中期至晚期在欧洲和北美间建立一个天基量子链路。

除了“墨子号”，还有其他量子卫星计划。（a）加拿大量子加密和科学卫星项目；（b）“立方星”（3U CubeSat），涉及新加坡国立大学一个小组开发的纠缠光子源；（c）法国和奥地利的研究人员提出了基于“立方星”的任务概念Nanobob；（d）“立方星”量子通信任务（CQuCoM）由一个联合研究团队共同承担。

“墨子号”的成功仅仅是个开始。中国的量子卫星计划在未来五到十年内有两个目标：1）开发3-5个专门用于QKD任务的小型低地轨道卫星，将提供更实用、高效的QKD服务；2）开发一颗中地轨道到地球同步轨道（GEO）的量子科学卫星，以进行更具雄心的科学实验。

1）日间量子通信

目前基于卫星的量子通信任务的主要缺点之一是，它们只在夜间工作，这大大限制了实际应用。

由几十颗卫星组成的量子卫星星座可以提供全球实时量子通信。这样的卫星星座预计将与低地球轨道和高地球轨道（HEO）卫星一起运行，如GEO卫星。卫星处于地球阴影区的概率随着轨道高度的增加而迅速下降：一个低地轨道卫星系统有∼70%的概率处于阳光区；对于地球同步轨道卫星，这个概率增加到∼99%。

因此，量子卫星星座的急需突破是展示日光下的自由空间量子通信。

基于卫星星座的全球量子网络。（a）一个全球量子网络需要许多低轨卫星或几个地球同步轨道卫星组成一个卫星星座。卫星在地球阴影区的时间与卫星的轨道高度成反比。（b）选定天顶角下大气中可见光到近红外光的透射光谱。（c）从可见光到近红外光的太阳辐射光谱。

2）基于卫星星座的量子网络

仅仅一个低地球轨道卫星不足以支持全球规模的量子通信网络建设。一般来说存在两个发展方向：增加卫星的数量，并提高轨道高度。因此，有必要建立一个结合低地球轨道和高地球轨道的量子卫星星座。

对于低地球轨道卫星，考虑小型、低成本的QKD有效载荷是经济的：可以组装在不同大小的卫星上，如微型卫星和空间站。2017年，科学家尝试开发了一个从天宫二号空间实验室到南山地面站的空间-地面QKD的小型有效载荷。这个57.9公斤的有效载荷集成了一个跟踪系统、一个QKD发射器以及同步模块和一个激光通信发射器。在空间实验室中，50兆赫的真空和弱诱骗态的光源通过一个孔径为200毫米的反射式望远镜被发送，在实验中通信距离在388-719公里之间，QBER为1.8%，建立量子信道时，最终密钥率为∼91bits/s。

天宫二号空间实验室到地面的量子密钥传递示意图。（a）空对地量子密钥分发；（b）诱骗态QKD发射器示意图；（c）配备1200毫米孔径望远镜的南山地面站中的诱骗态QKD解码器示意图。LA1，绿色激光（532nm）；CAM1，粗跟踪相机；CAM2，精跟踪相机；LD，激光二极管；RLD，基准激光二极管；FSM1，快速转向镜；HWP，半波片；极化器；偏振分束器；BS，分束器；ATT，衰减；LA2，红色激光（671nm）；CAM3，精跟踪相机；CAM4，粗跟踪相机；CPL，耦合器；DM，二向色镜；中频，干扰滤波器；FSM2，快速转向镜；BE，扩束器；SPD，单光子探测器。

像“天宫二号”中使用的紧凑、低成本的有效载荷可以被组装在不同大小的卫星上，以构建基于卫星星座的量子网络。对于实际的空地一体化量子通信网络，用户的数量远远大于QKD有效载荷，“墨子号”卫星的典型地面站对于更多用户的大规模应用来说过于庞大、沉重。应重新设计地面站，使其更小、更轻、更便宜，以满足实用量子星座的要求。2022年，科学家在中国多个城市验证了使用紧凑型地面站（小于100公斤，直径280毫米）验证卫星-地面QKD的可行性。

实验证明紧凑型地面站的星-地量子密钥分发。到2020年，包括北京、济南、威海、丽江和漠河在内的中国多个城市已经演示了带有“墨子号”卫星和紧凑型地面站的QKD。典型的筛选密钥率为∼2 kbits/s。

通过上述努力，我们可以进一步设想出一个具有量子星座和地面光纤网络的全球量子通信基础设施。其中，地面的光纤网络为远程城市提供安全的通信服务。同时，由低轨道和高轨道卫星组成的量子星座连接光纤网络上的关键节点和可移动节点，最简单的量子星座应该包括至少三颗低轨道卫星和一颗高轨道卫星。在这种配置下，假设至少需要覆盖100个地面站，每个地面站每年需要与卫星发生50次以上的QKD链接，每次卫星通过可以获得约2Mbits。这样每个站每年可以获得100Mbits，量子星座每年总共可以输出约10Gbits的密钥，可以支持语音通信的基本功能。此外，HEO卫星可以为一些重要地区提供24小时的QKD服务，密钥速率为1kbit/s，可以解决文本通信的基本需求。

全球量子通信网络路线图。将使用光纤创建市内城域网，量子中继器可以连接城域网，远程和洲际量子通信将通过卫星量子信道实现。

此外，利用卫星还可以进行更大空间尺度上纠缠分发的量子实验：如测试量子力学和广义相对论、广域量子安全高精度光学时频传输、高轨道卫星开发光学时钟等。本篇综述所涉及的工作仅仅代表了空间尺度量子实验这一新兴领域的曙光，期望在未来看到更多相关实际应用。

参考文献：

[1]https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.94.035001

[2]https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.84.777

[3]https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.92.025002