“量子星座”研究首次揭示“天宫二号”立下汗马功劳

8月23日，记者从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟团队、联合国科技大学杭州高等研究院院长、中国科学院院士王建宇通过天宫二号和4个卫星地面站上的紧凑型量子密钥分发(QKD)终端，实现了空地量子保密通信网络的实验演示。相关论文近日发表在国际知名学术期刊《光学》上。

研究人员通过高精度自动跟踪系统与天宫二号上的量子密钥分发终端配合，在地面站和目标飞行器之间建立了量子通道。在此基础上，进行了空地量子密钥分发实验。

2016年9月，“天宫二号”搭载14个应用载荷和设备成功发射。其中，有一个大约两个微波炉大小、重量不到60公斤的载荷，用于量子密钥分发实验。据介绍，“天宫二号”搭载的量子密钥分发有效载荷旨在实现空间对地量子密钥的实用分发，在天空发射单光子，在地面接收产生量子密钥。

2017年，“天宫二号”与南山地面站成功完成量子密钥分发实验。2018年，“天宫二号”开始验证组网能力。研究团队利用“天宫二号”，分别在位于南山、丽江、兴隆、德令哈的地面站之间进行了19次量子密钥分发实验，使地面上相距较远的两方实现了量子密钥共享。

在轨三年间，“天宫二号”与“墨子号”卫星密切合作。2016年8月，世界首颗量子科学卫星“墨子号”升入太空。“墨子”量子密钥分发系统重约130公斤，需要130瓦的功率。其科学实验任务还包括包括双向量子纠缠分发和量子隐形传态在内的纠缠相关量子通信实验。但天宫二号携带的量子密钥分发载荷，体积和重量还不到墨子号的一半，运行功率为80瓦。它肩负着“小型化载荷”和“轨道倾角适中”两项任务，其目标只针对量子密钥分发实验。

由于墨子号运行在太阳同步轨道上，一天之内是单轨的；而“天宫二号”一天运行多个轨道，高度400公里，适合低轨道、中等倾角的需求，可以进一步尝试天地量子密钥分发的应用。天宫二号空间实验室的中倾角轨道允许在一个晚上多次通过单个地面站，增加了可以生成的密钥数量。研究人员还建立了一个模型，以比较基于不同轨道类型卫星的量子密钥分发网络的性能。结果表明，中等倾角轨道的卫星与穿越极区的太阳同步轨道相结合可以获得最佳性能。

“从实用的角度来看，需要构建高、中、低轨道卫星组成的量子星座，建立覆盖全球的量子通信网络。”王建宇表示，这是小卫星星座使量子保密通信实用化的重要一步，也被认为是创建全球量子通信网络最有前景的方式之一。