? ? ??下圖是“墨子號(hào)”衛(wèi)星與興隆地面站量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，是不是很酷。星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，地面接收的方式，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)(萬(wàn)億億倍)。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，一次過(guò)軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1 kbps。這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享,將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)(如合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

? ? ??本文我們就討論一下量子信道。

? ? ? ?事實(shí)上，1989年Bennett完成第一個(gè)量子保密通信試驗(yàn)就是在自由空間中進(jìn)行的。由于自由空間信道受外界影響大，信道穩(wěn)定性和實(shí)際信道情況相對(duì)復(fù)雜等原因，無(wú)線量子通信的實(shí)現(xiàn)存在一定難度。然而，無(wú)線量子通信系統(tǒng)不受地理?xiàng)l件和光纖設(shè)施影響，在實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離通信(包括衛(wèi)星通信)等方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑具有很高的研究?jī)r(jià)值。

? ? ? ?在微波通信及經(jīng)典激光通信中，自由空間信道已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。由于微波和激光光束直線傳播的特性，此類(lèi)自由空間信道要求兩個(gè)通信地點(diǎn)之間不能有障礙物，必須目視可及。由于地球是個(gè)球體，這樣的信道構(gòu)成在靠近地面?zhèn)鬏敃r(shí)會(huì)受到較大限制，兩個(gè)可視的地點(diǎn)之間距離不可能太遠(yuǎn);而且與微波或激光通信技術(shù)相比，量子通信受天氣因素影響更大，靠近地面?zhèn)鬏敃r(shí)，通信的可靠性將難以保證。但如果考慮利用空間平臺(tái)，自由空間信道的優(yōu)勢(shì)將變得非常明顯，這主要是因?yàn)橥馓諑缀跽婵盏沫h(huán)境，對(duì)量子信號(hào)的傳輸衰減很小，并且退相干效應(yīng)也較小，只要將量子信號(hào)傳出大氣層，配合星載平臺(tái)技術(shù)和光束精確定位技術(shù)，就有可能建立起真正覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)如果可以將量子通信系統(tǒng)放置在空間平臺(tái)上，就可以實(shí)現(xiàn)星間甚至星際間量子通信。

? ? ? ?自由空間量子通信的主要衰減機(jī)制為大氣衰減和幾何衰減。大氣衰減來(lái)源于大氣對(duì)信號(hào)光的吸收和散射，幾何衰減是由于信號(hào)光具有一定發(fā)散角，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸后，信號(hào)光光斑將遠(yuǎn)大于接收端的接收口徑，從而使接收端無(wú)法接收到全部信號(hào)。

? ? ? ? 在這里我們介紹一下一種自由空間量子密鑰分發(fā)原理。量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)需要發(fā)射端與接收端兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先由兩端各自的ATP(Acquisition Tracking and Pointing，ATP)平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光束的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)。然后發(fā)射端量子發(fā)射單元根據(jù)重復(fù)頻率為100MHz的隨機(jī)數(shù)隨機(jī)選擇發(fā)送4路激光器中的一路，并經(jīng)過(guò)量子發(fā)射模塊進(jìn)行起偏，接收端量子接收模塊對(duì)接收到的量子光進(jìn)行檢偏，用計(jì)數(shù)器記錄每路偏振光的光子數(shù)。兩端各需要GPS(Global Positioning System)與同步光信息作為時(shí)間基準(zhǔn)。最后，根據(jù)發(fā)射端的隨機(jī)數(shù)信息、GPS與同步光信息以及接收端的同步光、GPS及4路量子通道計(jì)數(shù)分析得到一組密鑰。

???????由于衛(wèi)星與地面站之間始終處于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如何在運(yùn)動(dòng)的情況下建立起量子信道，維持信道效率和降低量子密鑰誤碼率，是基于低軌衛(wèi)星平臺(tái)量子密鑰分發(fā)要面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。大家一下子覺(jué)得是不是這個(gè)自由空間量子密鑰分發(fā)離我們很遙遠(yuǎn)？其實(shí)并不，畢竟市面上已經(jīng)有銷(xiāo)售的自由空間量子密鑰分發(fā)接收端產(chǎn)品了。如下圖：

????????光纖量子通信相比于無(wú)線量子通信受到外界環(huán)境影響小，性能更穩(wěn)定，并且接收裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，是目前最成熟的量子通信技術(shù)，正在走向大規(guī)模的工程化應(yīng)用，并是將來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

???????量子光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)受到色散和損耗的影響。色散會(huì)使在光纖中傳輸?shù)墓饬孔用}沖展寬引起串?dāng)_，降低門(mén)控量子測(cè)量效率，并減弱相位干涉對(duì)比度。損耗的存在使光纖中傳輸?shù)膯喂庾用}沖信號(hào)隨著傳輸距離的增加存活率不斷下降。

? ? ? ?目前，光纖有線量子通信系統(tǒng)采用的波長(zhǎng)有890nm、1310nm和1550nm，其中1310nm光傳輸窗口又被稱(chēng)為零色散窗口，光信號(hào)在此窗口傳輸色散最小。在實(shí)際的量子通信系統(tǒng)中，可以通過(guò)控制光源的帶寬減少色散效應(yīng)的影響。

???????現(xiàn)有的基于單光子的光纖量子通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法多樣，其中具有代表性的基于偏振調(diào)制和相位調(diào)制的光纖量子通信系統(tǒng)。此外還有基于高斯調(diào)制的連續(xù)變量光纖量子通信系統(tǒng)。

? ? ? ? 實(shí)際的量子密鑰分發(fā)信道選擇中，一般遵循以下原則：

1. 低損耗：無(wú)論是離散變量還是連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)，都需要光纖的傳輸損耗盡可能低。因?yàn)榱孔討B(tài)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到光纖損耗的影響，損耗過(guò)大會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的保真度下降，從而影響密鑰分發(fā)的效率和安全性。因此，需要選擇具有高傳輸效率的光纖，并在鋪設(shè)和維護(hù)過(guò)程中盡量減小光纖的彎曲半徑和連接損耗；
2. 低噪聲：光纖中的噪聲會(huì)對(duì)量子態(tài)的傳輸產(chǎn)生干擾，影響密鑰分發(fā)的準(zhǔn)確性。連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)對(duì)噪聲的敏感度尤其高，因?yàn)檫B續(xù)變量量子態(tài)的微小變化都可能導(dǎo)致信息解碼的錯(cuò)誤。因此，需要選擇具有低噪聲特性的光纖，并在使用過(guò)程中盡量減小外部噪聲的干擾；
3. 穩(wěn)定性：光纖的穩(wěn)定性是保證量子密鑰分發(fā)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。光纖的穩(wěn)定性包括物理穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)方面。物理穩(wěn)定性要求光纖在鋪設(shè)和使用過(guò)程中不易斷裂、變形或老化；環(huán)境穩(wěn)定性則要求光纖能夠抵抗溫度、濕度、振動(dòng)等外部環(huán)境因素的影響；
4. 寬帶寬：隨著量子密鑰分發(fā)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光纖的帶寬要求也越來(lái)越高。寬帶寬的光纖能夠支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的信息容量，從而滿(mǎn)足未來(lái)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的發(fā)展需求；
5. 兼容性：量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)通常需要與現(xiàn)有的經(jīng)典光通信系統(tǒng)共纖傳輸，這就要求光纖需要具有良好的兼容性。兼容性包括光纖的接口標(biāo)準(zhǔn)、傳輸協(xié)議以及與其他設(shè)備的連接等方面。

? ? ? ?目前商業(yè)中實(shí)際應(yīng)用一般采用裸光纖實(shí)現(xiàn)量子信道的建設(shè)，裸纖也叫裸光纖，運(yùn)營(yíng)商提供一條純凈光纖線路，中間不經(jīng)過(guò)任何交換機(jī)或路由器，只經(jīng)過(guò)配線架或配線箱做光纖跳纖，可以理解成運(yùn)營(yíng)商僅僅提供一條物理線路。

? ? ? ?通訊需求表明真正意義上的全域量子保密通信網(wǎng)路應(yīng)該是建立在基于地-星鏈路與星-星鏈路之上的廣域鏈路，從而完成的遠(yuǎn)距離、大范圍、高容量量子通信網(wǎng)絡(luò)的搭建與貫通。因此我從量子城域網(wǎng)未來(lái)建設(shè)上來(lái)說(shuō)，自由空間的QKD是必須要研究和發(fā)展的。

? ? ? ? 然而，從實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，基于光纖的城域網(wǎng)建設(shè)成本和技術(shù)問(wèn)題都比較多，自由空間的大多也是試驗(yàn)階段，距離商用還比較遠(yuǎn)。那么如何實(shí)現(xiàn)量子保密移動(dòng)化應(yīng)用呢？現(xiàn)階段主流方案是結(jié)合經(jīng)典密碼學(xué)方案，將 QKD 生成的量子密鑰在移動(dòng)終端側(cè)應(yīng)用的增強(qiáng)解決方案，使得 QKD 技術(shù)可應(yīng)用于更廣泛的移動(dòng)化場(chǎng)景。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題后面我們會(huì)詳細(xì)討論，畢竟當(dāng)前我們處于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，將QKD技術(shù)如何無(wú)縫應(yīng)用到移動(dòng)終端才能實(shí)現(xiàn)保密閉環(huán)，這個(gè)我們后面詳細(xì)討論，這里先貼一張圖，有興趣的小伙伴可以先自行探索。

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? ? ? ? ?[1] 陳杰.實(shí)用化量子通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]

? ? ? ? ?[2]柴庚.自由空間連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]

? ? ? ? ?[3]尹浩.量子通信原理與技術(shù)[M]

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? ? ?量子城域網(wǎng)系列文章索引：

1. 量子通信：初識(shí)量子城域網(wǎng)
2. 量子城域網(wǎng)系列（一）：量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸
3. 量子城域網(wǎng)系列（二）：量子密鑰與通信系統(tǒng)中各層協(xié)議融合應(yīng)用
4. 量子城域網(wǎng)系列（三）：搭建一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)
5. 量子城域網(wǎng)系列（四）：幾種典型的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案

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