1 前言
量子通信和网络化量子计算的同步发展将逐步推动新兴量子互联网的成熟，给全世界带来类似经典互联网的革命性影响。
但目前量子网络的距离有限，这限制了其全球范围的部署和应用。近期许多有关量子通信的研究工作都在寻求克服这一限制。由于存在光子损耗，单纯依靠光纤网络构建量子互联网不大可行。而量子中继器可以通过提供高效纠缠路由来扩展距离。但尽管量子中继器已取得了显著进展，要实现全球量子网络仍需进一步努力。量子中继器无法在地理上不利的位置设置，量子互联网的实现必然需要地面和天基部分相结合。
本文重点关注天基量子通信这一新兴领域的快速发展。首先探讨了完全运行量子网络的应用，提供了每种应用的最新状态，接下来回顾了星基量子通信这一新兴领域的进展，重点介绍了现场演示中的关键里程碑。
2 量子互联网应用
量子互联网将在一系列技术前沿产生深远影响，包括量子通信、量子计算和量子计量。其工作基础设施是一个全球互联的量子信息处理器网络，能提供比采用纯经典信息更强的能力。在全球范围内实现这种连接需要地面和卫星节点的成熟，从而实现量子纠缠在网络中的有效分发和路由，以及节点间量子态隐形传态。
图１给出了星基量子网络的发展路线图。下文将对量子互联网的具体应用进行综述。
图１ 全球星基量子互联网的各个阶段
2.1 量子秘钥分发
量子计算有可能改变解决仿真和优化问题的范式。然而，这种新计算能力也威胁到几乎无处不在的公钥密码系统的安全，如作为大部分互联网基础设施基础的Rivest-Shamir-Adleman（RSA）协议或椭圆曲线加密算法（ECC）。虽然纯经典的数论方面的进展一直在对RSA构成持续威胁，但短期内在大规模量子计算机上实现Shor算法的可能性对RSA和ECC都形成了不可忽视的风险。需要开发具有量子安全性的保密通信替代方法。
这方面的研究进展主要分为两条不同路线。首先是后量子加密（PQC），用对因式分解和量子算法鲁棒的替代经典加密系统代替了RSA。然而，PQC方案只提供了部分解决方案，因为它们从信息论角度看是不安全的。量子安全加密的第二个更有前途的候选方案是量子密钥分发（QKD），它保证了安全通信的隐私性、认证和保密性。具体来说，在光量子系统中编码信号经过处理后，可以提供安全的加密密钥，同时对窃听者知识进行可计算评估。QKD系统在运行上不同于经典加密系统。它们利用量子力学的基本性质（如不确定性原理或纠缠的单配性）来防止对手访问任意计算能力。不同的QKD协议分为三个不同系列。首先是离散变量（DV）协议，它使用离散量子自由度来编码信息，例如自由空间应用中的偏振和基于光纤方法中的相位编码。
QKD协议的第二种自然备选方法是采用连续变量（CV）系统。与基于量子比特的方法相比，CV系统可在每个信号中传递更多信息，并且其技术实现费用更低。最后一类QKD协议称为分布式相位参考编码，采用的是混合方法。这些协议采用的探测方案各有不同。DV和分布式相位参考协议采用光子计数器，并对进行了有效探测的事件进行事后选择。对于某些波长，光子计数器可能会遇到量子效率低的问题，并且容易受到暗计数率高和死区时间长的影响。CV协议通过零拍探测来克服这些问题。然而，针对CV方法，必须解决密钥速率和噪声之间的权衡问题。QKD设备不断提高其密钥生成速率，并已开始接近成熟，准备在现实环境中实现。接下来将通过应用一次一密加密方法实现安全通信。这种加密方案可证明是安全的，前提是密钥是安全的，且不重复使用，而且密钥长度与要加密的文本一样。
著名的QKD协议包括最初的Bennett-Brassard 1984（BB84）协议、双态Bennett 1992（B92）协议和六态协议。对于基于纠缠的协议，常见的QKD协议是Ekert 91（E91）和BBM92协议。每种协议都有其特有优势和局限性。
QKD已在地面进行了可靠演示，跨地面网络的部署工作正在顺利进行。但阻碍QKD在全球范围内成熟的最重要因素是需要在速率和距离之间进行权衡，这通常是由光纤中的散射效应引起的。量子中继器和多跳量子网络可以在长距离上提供更高速率，然而，这些策略只能提供有限的缓解，在可实现密钥速率方面有其自身的局限性。因此尽管取得了重大进展，所有地面QKD方法仍然受到距离限制。这些限制使得采用纯地面系统对于实现全球分发网络来说非常困难，甚至不切实际。除了QKD，全球传输距离上的纠缠分发也仍是一个开放性难题。
通过采用配备高质量光学链路的卫星，可以扩大通信范围。图2说明了不同配置的星基量子通信。使用卫星可减少地面量子中继器数量需求，因为单颗可信节点卫星实体可从通信A点（爱丽丝）附近移动B点（鲍勃）附近，损耗仅影响上行链路和下行链路信道，同时也因为卫星间通信相对于地面链路受噪声和损耗影响更小。同时采用地面和星基量子中继网络为将量子通信扩展到全球范围提供了最有前景的解决方案。这为实现全量子互联网提供了一个切实可行的路线图。它还为实现全球通信、成像和增强传感的全球联网基础设施铺平了道路。
图２ 一些星基量子通信配置
通过卫星传输信息也有其自身的困难。除了因自由空间衍射和大气消光（由于吸收和散射）引起的损耗效应之外，还需要考虑由指向和跟踪误差（对于下行链路特别重要）以及大气湍流（与上行链路相关）引起的不可避免的光束漂移。除这些效应外，背景热噪声的存在也会对接收机产生影响。考虑所有这些影响，可以计算出卫星量子通信可达到的最终信息论性能以及当前技术可达到的实际密钥速率。特别是可以证明，通过可信卫星在两个远程地面站之间分发的秘密比特数可以大大超过地面上一系列完美量子中继器可实现的性能。
2.2 远程时钟同步
远程时钟同步是未来量子通信、精确定位导航以及基础科学应用的一个重要要求。传统的时间同步技术依赖于测量电磁脉冲的到达时间。这些经典方法都易受到恶意干预的影响，并且在准确性上受到可用功率和带宽的限制。量子通信方法可以解决这两个限制，实现高精度时间信息安全分发。
量子时钟同步通过采用基于纠缠的协议来确保精确、安全的时间传递。基于光子对（不一定纠缠）到达时间的时钟同步也可实现比经典方法明显更小的抖动。采用频率纠缠脉冲构造经典时钟同步的量子模拟。具体来说，采用量子信号对时间传递和密钥生成进行编码。一旦在光学原子钟之间建立了纠缠，则中间介质不会对同步产生任何影响。这赋予了基于纠缠的时钟同步额外的强度。纠缠纯化操作可以消除使用非同步时钟产生的任何系统误差，这使得量子网络中每个时钟之间不再需要公共相位参考。
2.3 量子纠缠分发
卫星和地面光纤量子通信链路可用于创建全球规模的量子互联网。然而，量子互联网的潜在应用不仅仅局限于QKD。纠缠分发可以实现多种其他协议，包括分布式安全多方量子计算以及匿名通信协议。因此，卫星必须支持纠缠分发。随着量子技术的成熟，更高维度的量子态和超纠缠态必将更加受到关注。
目前，卫星提供了最具前景的全球范围路由纠缠分发方式。为了提高QKD服务的可靠性，多个地面站可以与多颗卫星合作，各条链路共同运行。也就是说，一个城市内相隔几千米的多个光学地面站（OGS）可以通过一颗卫星向城市内的最终用户提供QKD链路。在存在间歇性云层覆盖和局部湍流影响的情况下，这可增加链路可用的可能性。此外，对于具有卫星链路的QKD网络，安全密钥存储管理对于提高可靠性很重要。具体来说，安全密钥管理可确保利用多次卫星过顶为密钥生成积累足够数据。此外，密钥可能会在白天使用，但只能在卫星QKD夜间操作期间进行补充，此时背景光的影响会降至最低。
在未来10年内，基于卫星的高速量子通信不太可能超过1Gbps，而经典通信带宽要求可能会高出几个数量级。规划中的量子通信卫星任务每年可以产生数百兆比特。因此，以最安全的方式使用量子安全密钥（在密钥与所加密消息大小相同的情况下作为一次一密使用）是不切实际的。通常实施的一种折衷方案是使用QKD密钥作为经典AES加密的种子，并根据所需的端到端安全参数以一定频率对种子进行更新。
2.4 向远距离量子纠缠网络发展
全球量子连接需要多段纠缠分发链路。一颗卫星可以连接相隔几千千米的两个点，其上限由卫星高度和穿过大气层的最小仰角决定。地球静止轨道上的一颗卫星可以覆盖地球的大约三分之一。然而，由于卫星轨道末端所涉及的极限范围和低仰角，可实现的纠缠链路速率会被严重抑制。当考虑到无存储辅助纠缠分发的双路径损耗时，这种抑制很明显。
通过单颗以上卫星进行纠缠分发需要更复杂的结构（如纠缠交换或量子存储器）来实现天基量子中继架构。研究人员已经提出了不同的物理实现方法来实现量子中继器运行，取决于损耗和所采用的操作误差校正技术。在第一代量子中继器中，整个通信长度被分成2n个较短的段（Ｌ=L0✕2n），其中n是中继器的嵌套层数。首先在每个段中产生纠缠，并以可预报的方式存储在各自的量子存储器中。在成功生成这种小尺度纠缠态后，量子存储器被读出，纠缠态通过纠缠交换操作在整条链路上进行分发。采用可预报纠缠生成和纯化协议来纠正因损耗和操作产生的误差。这样得以以牺牲速率为代价在有损信道上分发高保真度贝尔对；而即使采用最激进的方案，要在超过几千千米的距离上实现基于光纤的纠缠分发似乎也是不切实际的。
第二代量子中继器采用可预报纠缠生成来校正损耗。然而，它们需要进行量子纠错来补偿运行损耗。第三代中继器不使用预报，而是完全依赖量子纠错。这些方案可以在全球距离上达到kHz级速率，但技术开销很大；每个单独节点都应包含一个小规模量子计算机用于纠错。如果采用第三代量子中继器，节点间的距离必须非常小，使得单条信道损耗小于3dB（50%），以便进行确定性纠错。在考虑耦合和探测损耗情况下，需要在整个洲际链路上每隔几千米设置一个节点。
为了扩展技术要求不高的第一代中继器的距离，研究人员提出了一种混合天基量子中继器方案（见图３），其中纠缠光子对源位于在轨卫星上，存储器位于地面站。结果表明，即使嵌套层数很小（n=3）,也可以在最大104千米范围内获得有意义的密钥速率。该方案的主要限制是，当链路运行时，每个地面站必须处于良好天气条件下，这在n≥3的情况下极不可能实现。图３给出了一个完全基于空间的量子中继器方案，将所有组件都放置在空间，预计会使第一代量子中继器在104千米范围内的纠缠分发速率提高最多4个数量级。
图３ 采用量子存储器通过卫星进行纠缠分发（嵌套层数n=3）
因此，需要配备纠缠源和量子存储器的卫星星座来创建地球上任何两点之间可动态配置的多链路连接。除了二体纠缠分发之外，还可以创建多体态（如团簇态或图态）。它们可以由向地面站分发的许多单个纠缠对构成，但开发在卫星网络级生成它们的方法可能更有效。这将涉及每个卫星节点的多个量子存储器、以及在卫星上执行融合操作的能力。最终，量子计算机可能会发展到可在卫星上部署的水平，并且需要用纠缠链路来连接它们。
2.5 深空通信
在近地卫星和地面站之间建立连接的早期成功进一步促使人们想要将卫星范围扩展到深空。国际电信联盟通常将这一领域的距离规定为超过200万千米。对于深空应用来说，为应对低信道带宽导致的低数据率，需要从无线电波向光通信转移。它还允许改进发射机和接收机。发射机有可能采用更小的光学器件，因为光学链路具有明显较窄的光束发散度，这样便可使用实用尺寸的发射孔径，从而减小发射信标的尺寸。接收机可以采用直径为1~2米的小型地面望远镜。光学探测策略也能实现比无线电传输更多的能力，包括直接光电探测，这在射电光子能量下很难实现。量子探测方法也可以提高长距离光通信的光子效率。通过相干叠加脉冲位置编码，可以由一部结构化接收机对接收信号进行干涉测量组合，生成由单光子探测器测量的高峰值信号。
尽管如此，由于信号强度随距离的平方递减，与近地光学链路相比，与深空探测器通信仍然极具挑战性。仅对近地激光通信系统进行扩展不足以应对这一挑战。深空链路通常需要改变整个系统设计。首先，在发射机端，需要功率更高的激光器和直径更大的发射光学器件来减少光束发散。其次，在接收机端，需要直径更大的光学接收机，采用量子探测理论方法对来自空间的微弱量子信号进行有效解码。最后，深空探测器的通信窗口比近地探测器小，这是因为探测器在近日角内的轨道运行时间更长。
尽管面临这些挑战，深空量子链路仍然会是一个扩展试验性量子通信实验的新平台。这些实验包括量子时钟同步、量子隐形传态、贝尔测试、QKD和引力导致的退相干。地-月信道提供的长基线允许对超光速量子坍缩传播和贝尔测试中的自由选择漏洞进行更严格的限制。
3 空间量子通信的发展
自20世纪90年代末以来，利用卫星在洲际范围内实现量子纠缠和安全密钥分发一直被认为是量子通信发展的重要领域。美国洛斯阿拉莫斯研究团队提出了首个从卫星到地面的量子密钥分发（QKD）方案。这一概念通过一项由英国国防评估研究局和德国慕尼黑大学合作的欧盟研究项目在欧洲得到推广，研究人员在高空进行了自由空间量子密钥分发演示——其大气条件模拟了典型的卫星环境。
欧洲航天局也研究了空间量子通信的可行性和潜力，并在之后将其演变为一系列研究计划，如2004年的“空间探索（Space QUEST）”项目。这一阶段欧盟空间研究有一个关键事件，即研究人员用弱相干脉冲诱饵态和基于纠缠的源演示了144千米的密钥交换。
2003年，研究人员在意大利马特拉激光测距观测站进行了一系列实验，研究了空间链路的可行性。利用航天器上的反射器，研究人员实现了从LEO卫星到地面的单光子传输，这是首次用反射器进行卫星量子位传输。该研究测量了一个小量子误码率（QBER）——误码率与获得的密钥率之比。这为基于卫星的量子通信的实用开发提供了具体示范。后来的研究则使用MEO卫星甚至更高轨道卫星，将单光子传输距离延长到了现在的2万千米单光子传输极限。
2008年至2018年间，欧盟团队在地面演示和技术平台开发方面取得了巨大进展。全世界范围内也有多个团队在卫星量子通信任务方面不断取得进展，来自加拿大、日本、新加坡、瑞士和英国的团队已经开始研究量子通信任务的商业开发。
3.1 小卫星项目
为了演示和实现具有多个用户和合理覆盖范围的全球量子通信网络，需要一个卫星星座。但大型卫星的开发成本很高，且开发时间也比开发一个提供量子密钥分发服务的LEO可信节点星座长得多。立方体卫星提供了一种解决方案。立方体卫星是用于空间研究的微型纳卫星，由10厘米×10厘米×10厘米的模块组成，每个模块质量不超过1.33千克。立方体卫星的小型化尺寸限制了光学望远镜孔径的尺寸、有效载荷所需的体积空间、重量和功率（SWaP）、热设计和平台的指向稳定性。但立方体卫星开发成本低、开发时间短、部署机会更多，有潜力在空间量子技术方面取得快速进展，并有望超越传统空间系统开发模式，将空间研究带入立方体卫星时代。
目前，6U立方体卫星平台已被广泛使用。它提供了最大限度尺寸，能为高性能纳卫星任务提供最有利的成本-能力权衡。一些研究已将6U立方体卫星用于地球观测，它能装有一个足够大的光学组件和辅助有效载荷。当前，大约有65个6U任务正在开发中。立方体卫星不受地球轨道限制，但一些任务还是选择了更为笨重的12U平台，以便最大限度提供望远镜孔径。以下简要介绍一些与量子通信有关的小卫星任务。
（1）量子加密和科学卫星（QEYSat）项目
加拿大的“量子加密和科学卫星”（QEYSat）是一项LEO微卫星任务，预计于2022年初完成。其主要目标是研究和推进量子通信链路科技，演示远程量子纠缠。QEYSat被视为更大规模任务和量子网络的先行者。
该任务将探索使用不同地面量子源，并向微卫星上的接收机传送。虽然从技术上说，通过一条上行光链路通道将光子可靠传送到移动卫星比下行链路配置更具挑战性，但这能为在地面段引入各种量子源和量子接口的量子链路提供更大灵活性。例如，可利用双波长纠缠光子源实现光纤网络与卫星链路接口，其中一个光子波长与空间链路匹配（约785纳米），另一个纠缠光子波长与光纤链路匹配（约1550纳米）。
（2）立方体卫星量子通信任务（CQuCoM）项目
在英国和新加坡空间量子技术开发工作的基础上，2015年一个由六个国家组成的联盟提出了“立方体卫星量子通信任务（CQuCoM）”。该项目通过一个6U立方体卫星将量子信号传输到地球并将意大利的马特拉激光测距观测站作为主要接收地面站。这将有助于为量子密钥分发建立有效的LEO可信节点星座。此外，该项目还包括大气能见度模拟和卫星量子密钥分发威胁分析。由于平台和轨道飞行器的成本较低，该项目可连续进行两次发射。
该项目的第一个任务是实现诱饵态弱相干脉冲BB84协议，以较低风险为第二个任务探路，即利用纠缠光子源实现量子密钥分发。立方体卫星将从国际空间站部署到一个400千米圆轨道，预期任务寿命为12个月。项目还将充分利用迅速改进的纳卫星高度确定和控制系统（ADCS），此系统已在一些任务中进行演示，如MinXSS立方体卫星和“明亮目标探测器（BRITE）”卫星。
（3）SpecQtre项目
SpecQtre是英国与新加坡合作的另一项目，其目标是演示地球上的光学地面接收机和立方体卫星平台之间的纠缠分发。该项目将为一种空间纠缠发射机星座奠定基础，目前正在积极开发中。据悉，该项目吸收了2014年、2015年和2019年新加坡量子立方体卫星任务的成果。英国卢瑟福-阿尔普顿国家实验室负责开发能够建立纠缠分发光链路的航天器，并设计、开发、实现光学地面站。该项目的目标之一是测试主要人口中心附近的光地面接收机，以实现与现有大都市量子网络的连接。该项目还研究了不同星座对全球纠缠分发的影响，包括研究为印度-东盟地区服务的星座。研究人员得出的结论是，一年时间里可以分发几十兆比特密钥（考虑到大气效应）。
（4）量子研究立方体卫星（QUARC）项目
“量子研究立方体卫星”（QUARC）是英国的一项计划，目标是在英国提供量子密钥分发服务。该项目最初研究范围主要是适用于立方体卫星有效载荷的小型化指向和跟踪分系统。目前，该任务已扩展到设计、建造紧凑型诱饵态弱相干脉冲BB84源和便携式光学地面站。该项目的一个初步应用是保障英国关键国家基础设施安全。同时，该项目也详细研究了基于天气模式的链路可用性，并确认了那些靠近大都市地区的合适光学地面站位置的可用性。
对于一个固定量子密钥分发光学地面站来说，最佳位置是靠近最终用户（最有可能在城市中心），但又要足够远以避免严重光污染。移动光学地面站能够识别这些地点并进行测试。这种光学地面站包括一个43厘米望远镜系统，它带有用于处理量子信号、定时和同步、跟踪和精确指向的附加模块，地面站还包括多个全部安装在车辆上的信标系统。这种能够快速移动和部署的光学地面站将有助于克服区域云层覆盖的限制。
3.2 美国NASA项目
美国国家航空航天局（NASA）正在进行多项任务，旨在通过天基量子纠缠分发开发全球量子通信基础设施。其中一种LEO平台（如国际空间站）可以在相距1200千米的地面站之间进行纠缠分发。而类似装备的更高轨道航天器还可以连接那些隔开更长基线的地面站。NASA的“深空量子链路”（DSQL）项目旨在通过开创性实验，探索量子系统上的相对论效应。DSQL的一个潜在轨道部署是“月球网关”。这是一个绕月球运行的空间站，可与地球地面站或绕地球运行的高空平台建立量子链路。DSQL所需的技术发展反映了对高性能量子通信系统的需求。其中，支持月球-地球链路需要100MHz数量级的最小纠缠量子对生成率，以克服高信道损耗，并提供更多光子数。
3.3 其他项目
意大利帕多瓦大学与意大利航天局合作，首创了一种更简单的量子空间科学方法，即在普通卫星上添加反射器和其他简单设备。利用目前在轨道卫星上用于卫星激光测距的角锥棱镜（CCR），研究人员有可能演示从LEO卫星到马特拉激光测距观测地面站的单光子交换。在首批演示后，该技术已用于将单光子传输扩展到MEO卫星，最近又扩展到全球导航卫星系统（GNSS）。研究团队表示，从现有卫星上传回地球的光子保持了它们的量子态，且接收误码率足够低，可用于量子加密。通过这种方法，用调制角锥棱镜替换无源角锥棱镜可以生成密钥。这种方案的优点是航天器不需要精确指向地面站。
另外，还有一些其他计划中的商业量子密钥分发项目，其中包括欧洲航天局支持的两个大型商业项目：QKDSat和QUARTZ。这些项目分别由英国Arqit公司和卢森堡SES公司牵头，是安全激光通信技术项目“ScyLight”的一部分。同时，欧洲航天局还在进行安全和密码算法任务“SAGA”，该任务旨在建立有空间段的全欧洲量子网络。
4 结语
空间使量子通信应用能够克服当前地面网络的范围限制而扩展到全球范围。但创建天基纠缠分发链路面临特有的理论和工程挑战。最终愿景是将天基系统与当前地面光网络进行集成，实现一个真正的全球量子互联网。最近在可行性研究和理论工作方面取得的重大进展已为各种限制因素的理解和建模提供了支持，从而为未来实现这一愿景关键里程碑的现场演示提供指引。
卫星量子通信的最初设想是从20世纪90年代开始发展的，包括理论分析和任务建议，最终通过米修斯（Micius）卫星进行了具有里程碑意义的在轨演示。在其成功的激励下，国际上再次兴起了对天基量子通信的关注。
量子互联网将在量子技术领域产生深远影响。量子通信的应用已成熟发展成为一个广阔领域，有许多活跃的理论和实验研究领域。而要建立一个天基全球量子互联网，主要挑战是建立能够实现量子纠缠高效分发和路由的星地链路。
空间系统的最新发展，特别是小卫星（尤其是立方体卫星）的快速采用，已被空间量子通信任务积极利用。小卫星能实现快速和低成本空间系统开发，这对于快速发展变化的领域来说特别重要。部件的小型化推动了小卫星能力的快速扩展，使它们成为有效平台，不仅仅只是教育工具。同样的趋势也推动了量子部件和器件小型化和鲁棒性的提高，这引发了众多立方体卫星在轨演示的开展。进一步的发展会使大型立方体卫星星座成为可能，这类星座可以在覆盖范围方面对数量较少的大型卫星提供补充服务。
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