量子城域网系列（六）：关于量子信道

下图是“墨子号”卫星与兴隆地面站量子密钥分发的实验现场图，是不是很酷。星地高速量子密钥分发是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收的方式，“墨子号”量子卫星过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍)。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1 kbps。这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

本文我们就讨论一下量子信道。

1.自由空间量子信道

事实上，1989年Bennett完成第一个量子保密通信试验就是在自由空间中进行的。由于自由空间信道受外界影响大，信道稳定性和实际信道情况相对复杂等原因，无线量子通信的实现存在一定难度。然而，无线量子通信系统不受地理条件和光纤设施影响，在实现更远距离通信(包括卫星通信)等方面具有天然的优势，无疑具有很高的研究价值。

在微波通信及经典激光通信中，自由空间信道已经被广泛应用。由于微波和激光光束直线传播的特性，此类自由空间信道要求两个通信地点之间不能有障碍物，必须目视可及。由于地球是个球体，这样的信道构成在靠近地面传输时会受到较大限制，两个可视的地点之间距离不可能太远;而且与微波或激光通信技术相比，量子通信受天气因素影响更大，靠近地面传输时，通信的可靠性将难以保证。但如果考虑利用空间平台，自由空间信道的优势将变得非常明显，这主要是因为外太空几乎真空的环境，对量子信号的传输衰减很小，并且退相干效应也较小，只要将量子信号传出大气层，配合星载平台技术和光束精确定位技术，就有可能建立起真正覆盖全球的量子通信网络。未来如果可以将量子通信系统放置在空间平台上，就可以实现星间甚至星际间量子通信。

自由空间量子通信的主要衰减机制为大气衰减和几何衰减。大气衰减来源于大气对信号光的吸收和散射，几何衰减是由于信号光具有一定发散角，经过远距离传输后，信号光光斑将远大于接收端的接收口径，从而使接收端无法接收到全部信号。

在这里我们介绍一下一种自由空间量子密钥分发原理。量子密钥分发实验需要发射端与接收端两个实验装置。实验时，首先由两端各自的ATP(Acquisition Tracking and Pointing，ATP)平台系统实现光束的捕获、跟踪和瞄准。然后发射端量子发射单元根据重复频率为100MHz的随机数随机选择发送4路激光器中的一路，并经过量子发射模块进行起偏，接收端量子接收模块对接收到的量子光进行检偏，用计数器记录每路偏振光的光子数。两端各需要GPS(Global Positioning System)与同步光信息作为时间基准。最后，根据发射端的随机数信息、GPS与同步光信息以及接收端的同步光、GPS及4路量子通道计数分析得到一组密钥。

由于卫星与地面站之间始终处于高速相对运动，如何在运动的情况下建立起量子信道，维持信道效率和降低量子密钥误码率，是基于低轨卫星平台量子密钥分发要面临的关键问题。大家一下子觉得是不是这个自由空间量子密钥分发离我们很遥远？其实并不，毕竟市面上已经有销售的自由空间量子密钥分发接收端产品了。如下图：

2.光纤量子信道

光纤量子通信相比于无线量子通信受到外界环境影响小，性能更稳定，并且接收装置相对简单，易于实现，是目前最成熟的量子通信技术，正在走向大规模的工程化应用，并是将来量子通信网络的基础。

量子光信号在光纤中传输时会受到色散和损耗的影响。色散会使在光纤中传输的光量子脉冲展宽引起串扰，降低门控量子测量效率，并减弱相位干涉对比度。损耗的存在使光纤中传输的单光子脉冲信号随着传输距离的增加存活率不断下降。

目前，光纤有线量子通信系统采用的波长有890nm、1310nm和1550nm，其中1310nm光传输窗口又被称为零色散窗口，光信号在此窗口传输色散最小。在实际的量子通信系统中，可以通过控制光源的带宽减少色散效应的影响。

现有的基于单光子的光纤量子通信系统的实现方法多样，其中具有代表性的基于偏振调制和相位调制的光纤量子通信系统。此外还有基于高斯调制的连续变量光纤量子通信系统。

实际的量子密钥分发信道选择中，一般遵循以下原则：

低损耗：无论是离散变量还是连续变量量子密钥分发，都需要光纤的传输损耗尽可能低。因为量子态在传输过程中会受到光纤损耗的影响，损耗过大会导致量子态的保真度下降，从而影响密钥分发的效率和安全性。因此，需要选择具有高传输效率的光纤，并在铺设和维护过程中尽量减小光纤的弯曲半径和连接损耗；
低噪声：光纤中的噪声会对量子态的传输产生干扰，影响密钥分发的准确性。连续变量量子密钥分发对噪声的敏感度尤其高，因为连续变量量子态的微小变化都可能导致信息解码的错误。因此，需要选择具有低噪声特性的光纤，并在使用过程中尽量减小外部噪声的干扰；
稳定性：光纤的稳定性是保证量子密钥分发长期稳定运行的关键因素。光纤的稳定性包括物理稳定性和环境稳定性两个方面。物理稳定性要求光纤在铺设和使用过程中不易断裂、变形或老化；环境稳定性则要求光纤能够抵抗温度、湿度、振动等外部环境因素的影响；
宽带宽：随着量子密钥分发技术的发展，对光纤的带宽要求也越来越高。宽带宽的光纤能够支持更高的数据传输速率和更大的信息容量，从而满足未来量子密钥分发系统的发展需求；
兼容性：量子密钥分发系统通常需要与现有的经典光通信系统共纤传输，这就要求光纤需要具有良好的兼容性。兼容性包括光纤的接口标准、传输协议以及与其他设备的连接等方面。

目前商业中实际应用一般采用裸光纤实现量子信道的建设，裸纤也叫裸光纤，运营商提供一条纯净光纤线路，中间不经过任何交换机或路由器，只经过配线架或配线箱做光纤跳纤，可以理解成运营商仅仅提供一条物理线路。

3.写在最后

通讯需求表明真正意义上的全域量子保密通信网路应该是建立在基于地-星链路与星-星链路之上的广域链路，从而完成的远距离、大范围、高容量量子通信网络的搭建与贯通。因此我从量子城域网未来建设上来说，自由空间的QKD是必须要研究和发展的。

然而，从实际情况来说，基于光纤的城域网建设成本和技术问题都比较多，自由空间的大多也是试验阶段，距离商用还比较远。那么如何实现量子保密移动化应用呢？现阶段主流方案是结合经典密码学方案，将 QKD 生成的量子密钥在移动终端侧应用的增强解决方案，使得 QKD 技术可应用于更广泛的移动化场景。关于这个问题后面我们会详细讨论，毕竟当前我们处于移动互联网时代，将QKD技术如何无缝应用到移动终端才能实现保密闭环，这个我们后面详细讨论，这里先贴一张图，有兴趣的小伙伴可以先自行探索。