記者從中國科學(xué)院獲悉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士科研團隊與中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院院長(cháng)王建宇院士團隊，通過(guò)“天宮二號”和4個(gè)衛星地面站上的緊湊型量子密鑰分發(fā)（QKD）終端，實(shí)現了空—地量子保密通信網(wǎng)絡(luò )的實(shí)驗演示。相關(guān)論文近日刊登在國際學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)》上。
據了解，科研團隊通過(guò)高精度自動(dòng)跟瞄系統與“天宮二號”上的量子密鑰分發(fā)終端相配合，在地面站與目標飛行器之間建立起量子信道，并在此基礎上開(kāi)展了空—地量子密鑰分發(fā)試驗。
2016年9月，“天宮二號”共搭載14項應用載荷和設備成功發(fā)射。其中就有一顆大概兩個(gè)微波爐大小、重量不足60千克的針對量子密鑰分發(fā)實(shí)驗的載荷。據介紹，“天宮二號”搭載的量子密鑰分發(fā)載荷，就是以實(shí)現空—地實(shí)用化的量子密鑰分發(fā)為目標，通過(guò)天上發(fā)射一個(gè)個(gè)單光子并在地面接收，生成量子密鑰。
2017年，“天宮二號”順利完成了和南山地面站之間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗。2018年，“天宮二號”開(kāi)始驗證組網(wǎng)的能力，科研團隊利用“天宮二號”在分別位于南山、麗江、興隆和德令哈的地面站之間，進(jìn)行了19次量子密鑰分發(fā)實(shí)驗，讓地面上兩處距離遙遠的雙方實(shí)現了量子密鑰共享。
飛行在軌的3年時(shí)間里，“天宮二號”和“墨子號”衛星進(jìn)行了緊密合作。2016年8月，世界首顆量子科學(xué)衛星“墨子號”升上太空?！澳犹枴绷孔用荑€分發(fā)系統重約130千克，需要130瓦的功率，其科學(xué)實(shí)驗任務(wù)還包括雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)在內的糾纏相關(guān)量子通信實(shí)驗等。而“天宮二號”搭載的量子密鑰分發(fā)載荷，體積和重量不到“墨子號”載荷的一半，運行功率為80瓦，它肩負著(zhù)“小型化載荷”和“中等軌道傾角”兩項任務(wù)，目標也只針對量子密鑰分發(fā)實(shí)驗。
由于“墨子號”是太陽(yáng)同步軌道運行，一天單軌；而“天宮二號”一天多軌道運行，高度為400千米，正適合低軌、中等傾角的需求，并且可以進(jìn)一步嘗試空—地量子密鑰分發(fā)應用?！疤鞂m二號”空間實(shí)驗室的中等傾角軌道允許在一晚內多次通過(guò)單個(gè)地面站，這增加了可以生成的密鑰數量。研究人員還建立了一個(gè)模型來(lái)比較不同軌道類(lèi)型的、基于衛星的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò )的性能。結果顯示，將具有中等傾角軌道的衛星與穿越極地地區的太陽(yáng)同步軌道相結合，可以獲得最佳性能。
“從實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，必須構建由高、中、低軌道衛星組成的量子星座，建立覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò )?！蓖踅ㄓ畋硎?，這是小型衛星星座向實(shí)用化量子保密通信邁出的重要一步，也被認為是創(chuàng )建全球量子通信網(wǎng)絡(luò )最有希望的途徑之一。
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