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(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院院長王建宇院士團(tuán)隊(duì)，通過“天宮二號”和4個(gè)衛(wèi)星地面站上的緊湊型量子密鑰分發(fā)（QKD）終端，實(shí)現(xiàn)了空—地量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)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(jù)了解，科研團(tuán)隊(duì)通過高精度自動(dòng)跟瞄系統(tǒng)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(biāo)飛行器之間建立起量子信道，并在此基礎(chǔ)上開展了空—地量子密鑰分發(fā)試驗(yàn)。
2016年9月，“天宮二號”共搭載14項(xiàng)應(yīng)用載荷和設(shè)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(yàn)的載荷。據(jù)介紹，“天宮二號”搭載的量子密鑰分發(fā)載荷，就是以實(shí)現(xiàn)空—地實(shí)用化的量子密鑰分發(fā)為目標(biāo)，通過天上發(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(yàn)。2018年，“天宮二號”開始驗(yàn)證組網(wǎng)的能力，科研團(tuán)隊(duì)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(yàn)，讓地面上兩處距離遙遠(yuǎn)的雙方實(shí)現(xiàn)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(wèi)星進(jìn)行了緊密合作。2016年8月，世界首顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號”升上太空。“墨子號”量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)重約130千克，需要130瓦的功率，其科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(nèi)的糾纏相關(guān)量子通信實(shí)驗(yàn)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(yùn)行功率為80瓦，它肩負(fù)著“小型化載荷”和“中等軌道傾角”兩項(xiàng)任務(wù)，目標(biāo)也只針對量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
由于“墨子號”是太陽同步軌道運(yùn)行，一天單軌；而“天宮二號”一天多軌道運(yùn)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(yīng)用。“天宮二號”空間實(shí)驗(yàn)室的中等傾角軌道允許在一晚內(nèi)多次通過單個(gè)地面站，這增加了可以生成的密鑰數(shù)量。研究人員還建立了一個(gè)模型來比較不同軌道類型的、基于衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的性能。結(jié)果顯示，將具有中等傾角軌道的衛(wèi)星與穿越極地地區(qū)的太陽同步軌道相結(jié)合，可以獲得最佳性能。
“從實(shí)用的角度來說，必須構(gòu)建由高、中、低軌道衛(wèi)星組成的量子星座，建立覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。”王建宇表示，這是小型衛(wèi)星星座向?qū)嵱没孔颖Ｃ芡ㄐ胚~出的重要一步，也被認(rèn)為是創(chuàng)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最有希望的途徑之一。
（總臺央視記者 褚爾嘉）
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