王 碩

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第722研究所，武漢 430079)

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自由空間量子通信綜述

王 碩

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第722研究所，武漢 430079)

要在軍事通信領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)量子通信，就要解決量子通信的遠(yuǎn)程、無(wú)線應(yīng)用問(wèn)題，也就是要設(shè)法實(shí)現(xiàn)自由空間的遠(yuǎn)程量子通信。從將量子通信技術(shù)應(yīng)用于各種軍用平臺(tái)遠(yuǎn)程安全通信的角度出發(fā),給出了大氣遠(yuǎn)程量子通信的發(fā)展?fàn)顩r，目前星-地量子通信實(shí)驗(yàn)研究的情況，以及水下自由空間的量子密鑰分配可行性研究。

自由空間；量子通信；密鑰分發(fā)；保密通信

0 引 言

在有關(guān)信息領(lǐng)域新技術(shù)的各種媒體報(bào)道中，“量子通信”是個(gè)出現(xiàn)頻率很高的詞。實(shí)際上,在量子信息領(lǐng)域完成了論證、實(shí)驗(yàn)，并初步進(jìn)入實(shí)用化的技術(shù)到目前只有“量子密鑰分發(fā)(QKD)”。而采用了QKD技術(shù)的保密通信也只是在密鑰的生成或分發(fā)上部分地應(yīng)用了量子態(tài)，所以目前所說(shuō)的初步實(shí)用化的“量子通信”，嚴(yán)格地講應(yīng)是量子密鑰保密通信。

與經(jīng)典安全通信相比，量子通信在安全性上具有無(wú)法比擬的天然優(yōu)勢(shì)。目前，基于光纖信道的量子通信技術(shù)已趨于成熟，然而量子中繼方案雖然有了充分的演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平還需進(jìn)一步突破技術(shù)難點(diǎn)。因此，基于光纖信道的量子通信最遠(yuǎn)距離被限制在百公里量級(jí)。要在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子通信，尤其是在軍事通信領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)，就必須解決量子通信的遠(yuǎn)程、無(wú)線應(yīng)用問(wèn)題，也就是必須要設(shè)法實(shí)現(xiàn)自由空間的遠(yuǎn)程量子通信。

1 星-地遠(yuǎn)程量子通信概念

地面間的自由空間量子通信，因?yàn)槭艿厍蚯屎偷孛娲髿鈱又懈鞣N物理作用的影響，其最遠(yuǎn)距離只能達(dá)到100 km以上。而對(duì)于地面-衛(wèi)星之間的自由空間信道來(lái)說(shuō)，其衰減主要集中在地面大氣層部分，這部分的大氣厚度約等效于地表水平方向大氣的5～10 km，往返2次的信道衰減也就等效于10～20 km。光子在經(jīng)過(guò)了地面大氣層部分后，在其上層的傳輸衰減則是可以忽略不計(jì)的。因此人們?cè)O(shè)想通過(guò)鏈接地-星，星-星(也可能不需要)，星-地來(lái)建立遠(yuǎn)程的高穩(wěn)定低衰減的量子信道，從而實(shí)現(xiàn)量子通信的遠(yuǎn)程應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)

目前，科學(xué)界在大量實(shí)驗(yàn)與理論研究的基礎(chǔ)上普遍認(rèn)為，通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離量子通信，是實(shí)現(xiàn)大范圍量子通信的最佳方案。正是在這種認(rèn)識(shí)下，星-地量子通信技術(shù)的研究成了量子通信研究領(lǐng)域中極為引人關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。我國(guó)在這方面的研究工作已處于世界領(lǐng)先水平，目前已完成了衛(wèi)星量子通信實(shí)驗(yàn)有效載荷的航天工程初樣研制工作，并計(jì)劃在2016年發(fā)射相關(guān)的量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星。

自由空間量子通信“在高損耗的地面成功傳輸100 km，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達(dá)到1 000 km以上”。當(dāng)前星-地量子通信研究的快速進(jìn)展，已清晰地向人們展開(kāi)了一個(gè)將量子通信技術(shù)用于海軍遠(yuǎn)程安全通信的想象空間。

2 星-地量子通信的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

星-地自由空間信道相比光纖信道在大尺度上具有特別的優(yōu)勢(shì)，概要?dú)w納為：(1)克服地表曲率、沒(méi)有障礙物的阻礙；(2)只相當(dāng)于5～10 km的水平大氣等效厚度；(3)大氣對(duì)某些波長(zhǎng)的光子吸收非常??；(4)大氣能保持光子極化糾纏品質(zhì)；(5)外太空無(wú)衰減和退相干。這些優(yōu)勢(shì)促使人們更多地從星-地自由空間信道尋求突破，從而提出了星-地量子通信的構(gòu)想，并實(shí)施了一系列與星-地量子通信可行性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

2.1 國(guó)際上有代表意義的地面自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)

第1個(gè)自由空間量子密鑰分配演示實(shí)驗(yàn)是1989年由IBM實(shí)驗(yàn)室的Bennett及加拿大蒙特利爾大學(xué)的Bessette等在實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)32 cm距離上實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)所得篩選密鑰誤碼率為4%，安全密鑰為1.3 bit/s。表1列出部分1 km以上距離的、有代表意義的自由空間量子密碼實(shí)驗(yàn)的相關(guān)信息。

表1 部分自由空間量子密碼實(shí)驗(yàn)的相關(guān)信息

其中，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室(LANL)基于偏振編碼B92協(xié)議的自由空間1 km量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，其誤碼率為1.5%。2002年實(shí)現(xiàn)了 10 km白天和夜晚量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，白天工作誤碼率(5.0±2.2) %，安全密鑰率150 Hz；夜晚誤碼率為(2.1±0.7) %,安全密鑰率為420 Hz。同年，德國(guó)慕尼黑大學(xué)和英國(guó)軍方下屬研究機(jī)構(gòu)合作的23.4 km自由空間量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，誤碼率約5%，安全密鑰率400 Hz。2006、2007年，歐洲五國(guó)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組實(shí)現(xiàn)了自由空間144 km量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，并加入誘騙態(tài)抵御光子分束攻擊，誤碼率約6.48%,安全密鑰率28 bit/s。

2.2 星-地量子密鑰分發(fā)全方位地面實(shí)驗(yàn)

理論分析表明，對(duì)于低軌衛(wèi)星(約400 km)平臺(tái)方案，大氣層的傳輸損耗、量子信道效率、背景噪音等問(wèn)題都是需要克服的重要問(wèn)題。尤其是低軌衛(wèi)星和地面站始終處于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)之中，如何在有角速度、角加速度、隨機(jī)振動(dòng)等情況下建立起高效穩(wěn)定的量子信道，保持信道效率以及降低量子密鑰誤碼率，是基于低軌道衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)面臨的關(guān)鍵性問(wèn)題。因此要實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球化量子密鑰分發(fā)，其全面的地面化論證是必不可少的。

我國(guó)的量子通信協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在青海湖成功地進(jìn)行了星-地量子密鑰分發(fā)的全方位地面驗(yàn)證。他們自主研制了高速誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)光源和輕便的收發(fā)整機(jī)，自主發(fā)展了高精度跟瞄、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(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證了星-地之間安全量子通信的可行性[1]。

2.2.1 基于轉(zhuǎn)臺(tái)和熱氣球的運(yùn)動(dòng)浮空平臺(tái)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)的距離分別為40 km和20 km，都超過(guò)了大氣等效厚度。實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)臺(tái)以士3°，15 s為周期做正弦運(yùn)動(dòng)，其最大速度大于1．2 °/s，最大加速度大于0．5 °/s2，均大于實(shí)際400 km低軌衛(wèi)星參數(shù)。實(shí)驗(yàn)在270 s的時(shí)問(wèn)內(nèi)得到53 kb的最終安全密鑰，密鑰產(chǎn)生率為194 bit/s，而最后的誤碼率只有2．727%。20 km的熱氣球?qū)嶒?yàn)和40 km的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的效率相差不大。

2.2.2 車(chē)載和吊籃運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)

車(chē)載誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)的發(fā)射裝置、接收端兩者之間的直線距離約為32 km。實(shí)驗(yàn)時(shí)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的速度一般在2 m/s以下。實(shí)驗(yàn)的平均每秒安全密鑰數(shù)為116 bit/s，在總計(jì)121 s的有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)得到了14 kb的最終安全密鑰，而信號(hào)態(tài)的誤碼率只有2．69%。

在車(chē)載實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了吊車(chē)的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。發(fā)射整機(jī)和發(fā)射機(jī)柜固定在吊籃之內(nèi)，然后用吊車(chē)把吊籃吊起。實(shí)驗(yàn)的距離分別依次選擇了8 km，15 km和20 km，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與車(chē)載實(shí)驗(yàn)類(lèi)似。

2.2.3 遠(yuǎn)距離高損耗自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)

雖然大氣的等效厚度只有10～20 km，但是星-地之間超遠(yuǎn)的距離還是會(huì)給最終的全球化量子密鑰分發(fā)帶來(lái)不可預(yù)知的困難，為了檢驗(yàn)并克服由于長(zhǎng)距離而給星-地量子密鑰分發(fā)帶來(lái)的困難，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了遠(yuǎn)距離高損耗自由空間誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)直線距離約96 km。在此距離下的自由空間實(shí)驗(yàn)必須考慮地球曲率的影響。實(shí)驗(yàn)滿(mǎn)足了目視可及的條件。在總衰減達(dá)到50 dB的情況下，實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)，在728 s的時(shí)間內(nèi)得到43 170 bit的最終安全密鑰，平均每秒的密鑰率為59．3 bit/s，而平均誤碼率只有3．09%。

研究團(tuán)隊(duì)表示，實(shí)驗(yàn)的一些技術(shù)細(xì)節(jié)還有很大的改進(jìn)余地，作一些改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)容忍的總衰減將會(huì)進(jìn)一步變大甚至達(dá)到60 dB；也就是說(shuō)量子密鑰分發(fā)的距離還是很有潛力可挖的。

上述的一系列實(shí)驗(yàn)應(yīng)該說(shuō)基本完備了低軌星-地量子通信的地面實(shí)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)真實(shí)的星-地量子通信打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 其它自由空間量子通信研究

自由空間量子通信是量子通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，各種資料很多，但與軍事應(yīng)用相關(guān)研究的公開(kāi)資料并不多。這里主要就個(gè)別公開(kāi)報(bào)道的、實(shí)際進(jìn)行了的、與軍事應(yīng)用較密切的研究情況作一簡(jiǎn)要的介紹和分析。

3.1 利用現(xiàn)有衛(wèi)星的星-地光量子反射實(shí)驗(yàn)

2008年，著名的Zeilinger研究小組就提出了一個(gè)利用現(xiàn)有在軌衛(wèi)星的星-地光量子通信可行性實(shí)驗(yàn)方案。方案中的量子發(fā)射源向距離地球1 500 km左右的衛(wèi)星發(fā)射光量子，地面站通過(guò)辨別從衛(wèi)星反射回來(lái)的光子來(lái)驗(yàn)證衛(wèi)星之間以及衛(wèi)地之間量子通信的可行性。

2014年7月，物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，意大利帕多瓦大學(xué)的1組研究人員通過(guò)對(duì)在軌飛行衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間進(jìn)行量子通信是完全可能的。該小組精心挑選出了4個(gè)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星，它們都具有能夠反射光子的金屬立體角反射鏡。研究人員認(rèn)為，借助這些衛(wèi)星保留光子的極化，將能夠讓太空量子通信成為可能。為了對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們還選擇了另一個(gè)沒(méi)有立體角反射鏡的衛(wèi)星。

當(dāng)衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)，研究人員在意大利的馬特拉激光測(cè)距觀測(cè)站向所有的衛(wèi)星都發(fā)出了光子信號(hào)，并測(cè)定衛(wèi)星何時(shí)能將數(shù)據(jù)返回。研究人員發(fā)現(xiàn)，正如預(yù)期的那樣，沒(méi)有立體角反射鏡的對(duì)照，衛(wèi)星出現(xiàn)了高達(dá)50%左右的錯(cuò)誤率，而另外4個(gè)具有立體角反射鏡的衛(wèi)星，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率全部都低于11%。他們認(rèn)為這些衛(wèi)星能夠與地面站之間進(jìn)行完全安全的量子通信。

3.2 美國(guó)海軍近期公開(kāi)資助的海上自由空間量子通信研究

2014年2月和6月，美國(guó)海軍研究辦公室(ONR)分別啟動(dòng)了2個(gè)海上自由空間光量子密鑰分配研究項(xiàng)目：“海鑰”項(xiàng)目和“海嘯”項(xiàng)目。這2個(gè)項(xiàng)目的合同承包方分別為BBN科技公司和應(yīng)用通信科學(xué)公司(ACS)。

海鑰項(xiàng)目第1年的任務(wù)表述為：(1)確定海上QKD的脆弱性；(2)完成QKD系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

根據(jù)海鑰項(xiàng)目季度進(jìn)展報(bào)告，研究團(tuán)隊(duì)已在量化工作于海洋環(huán)境自由空間光鏈路中會(huì)遇到的非理想性情況。包括：(1)大氣吸收的影響；(2)氣溶膠的影響；(3)水蒸氣的影響；(4)湍流誘發(fā)的幅度和相位波動(dòng)的影響；(5)黑體和天空輻射對(duì)探測(cè)器背景計(jì)數(shù)的影響等。

海嘯項(xiàng)目的目標(biāo)是優(yōu)化工作在海洋大氣條件下的自由空間光量子密鑰分發(fā)的性能；最大化在各種大氣條件下系統(tǒng)的吞吐量和傳輸距離。項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)的重點(diǎn)領(lǐng)域包括開(kāi)發(fā)超糾纏源模型和海上自由空間信道損耗模型。

根據(jù)海嘯項(xiàng)目季度進(jìn)展報(bào)告，研究團(tuán)隊(duì)已在對(duì)超糾纏源的架構(gòu)以及相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)；針對(duì)低能見(jiàn)度條件下系統(tǒng)工作在紅外中波和長(zhǎng)波波段所具有的實(shí)際優(yōu)勢(shì)進(jìn)行MODTRAN模擬。

3.3 水下自由空間量子通信理論研究

比較而言，有關(guān)水下量子通信方面的研究相對(duì)遲緩，中國(guó)海洋大學(xué)物理系的水下量子通信研究較為引人注目。

2014年4 月，中國(guó)海洋大學(xué)史鵬等人在arXiv 網(wǎng)站上發(fā)表了“水下自由空間量子密鑰分配的可行性”的文章，報(bào)道了他們的水下量子密鑰分配的理論分析結(jié)果。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)水下自由空間量子密鑰分配信道模型，研究了水下介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射特性。用矢量輻射傳輸理論和蒙特卡羅方法對(duì)偏振單光子在海水信道中的傳輸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了海水信道及光學(xué)接收系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)水下量子密鑰分配的影響，進(jìn)而從理論上論證了在夜晚背景光噪聲較弱的清澈大洋海水中，可實(shí)現(xiàn)百米范圍內(nèi)絕對(duì)安全的量子密鑰分配[2]。

有其他的研究人員最近也表明，波長(zhǎng)在400 nm和500 nm的藍(lán)綠色光有可能在清澈的海水中，以每秒10兆位的速率，在高達(dá)350 m距離上來(lái)傳送信息。此次史鵬等人得出的具體結(jié)論是，應(yīng)該能夠以大約215 kbit/s的速率在清澈的海水中，以125 m的距離傳送數(shù)據(jù)，“這可以用于加密大多數(shù)的音頻信息和一些水下通信中的低比特率視頻信息”[3]。

對(duì)史鵬等人的結(jié)論，有國(guó)外評(píng)論指出，大氣中的量子密鑰分發(fā)早期測(cè)試，開(kāi)始時(shí)的距離也是很有限的(1 m以?xún)?nèi))，但在2007年，研究人員報(bào)告成功的距離超過(guò)了144 km。

3.4 飛機(jī)與地面間自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)

2012年德國(guó)慕尼黑大學(xué)Sebastian Nauerth等人首次報(bào)道了飛機(jī)與地面間20 km基于BB84協(xié)議的量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，誤碼率為4.8%。

4 結(jié)束語(yǔ)

量子安全通信是目前唯一在理論上被證明具備無(wú)條件安全性的通信方式。有專(zhuān)家稱(chēng)，目前的研究從理論上基本解決了實(shí)際系統(tǒng)安全性問(wèn)題[4],而且已有實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了200 km的與測(cè)量器件無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)，解決了所有針對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的攻擊。在科研人員的努力下，地面自由空間量子通信的實(shí)驗(yàn)研究也基本完備。所有這些無(wú)疑向人們展開(kāi)了一個(gè)將量子通信技術(shù)應(yīng)用于海軍遠(yuǎn)程安全通信的想象空間。

[1] 楊彬.自由空間量子通信技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[2] 李文東，史鵬，趙士成，顧永建.水下量子密鑰分配的理論分析[A].第十六屆全國(guó)量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)報(bào)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，劉文林，毛鈞慶，楊燕.量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題研究[J].通信技術(shù)，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