发量子通信卫星连接欧美？NASA：先用国际空间站

中国在4年前发射“墨子号”卫星，试验了远距离量子通信的一些关键技术。而美国国家航空航天局（NASA）则考虑退一步，先利用国际空间站上的激光器练手。

据科技媒体《连线》（WIRED）报道，今年年初，包括MIT林肯实验室光通信技术小组负责人斯科特•汉密尔顿（Scott Hamilton）、NASA量子科学与技术小组负责人纳泽尔•巴格特（Nasser Barghouty）在内的量子物理学家们齐聚加州大学伯克利分校，共商NASA量子通信的未来。

主要议题之一是，是先在空间站上演示，还是直接上量子通信卫星。

要知道，国际空间站在较低的轨道上，只能看到地球表面的局部。要想在远距离之间建立量子链路，需要一颗更高轨的卫星。

NASA建造量子卫星链路的计划代号为“马可尼2.0”，致敬第一个实现远距离无线电传输的意大利发明家伽利尔摩•马可尼（Guglielmo Marconi）。其大致思路是在2020年代中后期建立欧洲和北美之间的天基量子链路，但具体细节仍在讨论中。

汉密尔顿对《连线》表示，他预计NASA会在一两年内公布量子通信计划的最终路线图。与此同时，他和同事们会继续研究从2018年起与NASA合作开发的空间量子技术。

量子互联网的野心要“上天”

据澎湃新闻报道，美国白宫网站曾在今年年初发布一份《美国量子网络战略构想》，提出美国将开辟量子互联网，确保量子信息科学（QIS）惠及大众。这与美国2021年度政府财政预算提案中量子技术研发经费的大幅上涨交相呼应。

这份文件将量子互联网描述为一张由量子计算机和其他量子设备组成的庞大网络，将加速现有互联网的发展，提高通信安全性，并使计算技术发生剧变。

隶属于美国能源部的阿贡和费米这两个同在伊利诺伊州的国家实验室有望成为这张国家性量子互联网上的首两个节点，今夏就将进行试验性项目，通过芝加哥郊区地下一段30英里长的光纤来交换量子信息，建立双向链路。

不过，要覆盖长距离的野心可能要借助天基中继站，正如现有电信网络的形态。

量子通信依赖爱因斯坦口中“鬼魅般的远距作用”，即量子纠缠。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变（比如人们对其进行测量），另一个的状态会瞬时发生相应改变。

但这样精妙的状态很容易被干扰破坏，难以承受真实环境中的长距离传输。

今年年初，中国科学技术大学潘建伟团队与济南量子技术研究院合作，实现了509公里真实环境光纤的双场量子密钥分发，这是光纤上的最远距离。

还有一种方案就是通过卫星中继。2017年，潘建伟团队利用世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”，创下了 1200千米的量子纠缠分发世界纪录。

该实验成功证明了一对纠缠光子可以在星地长途跋涉中幸存下来，同时抵达两个地面站。这是实现天基量子通信的基础。

空地“纠缠交换”

不过，汉密尔顿对《连线》表示，这是个突破性的演示，但“你不能用它来组成一张量子网络，因为光子是在随机时间到达的，而且它没有传送任何量子信息”。

通常，一堆纠缠光子是由单一光源产生的。一束激光达到一种特殊晶体上，就弹出了两个相同的光子，一份拷贝留在发送者手中，另一个送到接收者手中。

NASA计划用一种“纠缠交换”技术将两个不同光源的光子纠缠在一起，这样，光子就可以从一个网络节点传递到另一个节点，起到经典通信系统里面中继器的作用。

“纠缠交换是远距离传播纠缠的必要条件，”NASA戈达德飞行中心的光学物理学家Babak Saif说，“这是迈向量子互联网的第一步。”

NASA的设想是，一对纠缠光子a和b由国际空间站产生，另一对纠缠光子c和d由地面站产生。来自太空的b和来自地球的c被发送到一个量子装置执行贝尔测量，从而导致剩下的a和d纠缠起来。下一步是将a发送到地球上的另一个地面站，并重复这个过程。这让两个没有物理链路的地面站之间的光子纠缠起来。

激光器在哪里？

虽然理论很清晰，但Saif认为正确把握时机是一个重大挑战。纠缠交换要求以非常精确的时间发送纠缠光子，来自太空和地球的光子同时抵达，并在不破坏其所携带信息的情况下对其进行测量。

此外，从400公里外、每小时移动28000公里的国际空间站上射出的光子，需要以完美精度击中小型接收器。

当然，在这些技术考虑之外，还有一个致命的显示问题：国际空间站上根本就没有这样一个激光器。

美国宇航局上次在太空激光通信方面做重大实验还是在2013年，当时实现了地球和绕月卫星之间600M的数据传输速度，比大多数家庭的宽带都要快。不幸的是，实验成功后不久，NASA就设计让那颗卫星撞向月球，以便研究它在撞击时激起的尘埃，一个非常优秀的激光通信系统就此折戟沉沙。

下一个继承者是计划在明年初发射的激光通信中继演示（LCRD）卫星。它的搭档ILLUMA-T激光通信站则会在2022年在国际空间站上就位，通过LCRD卫星将数据中继到地面。

这条激光交叉链路将为空间光通信网络奠定基础，使下一代月球探险家能够从月球表面传回高清晰度视频。量子物理学家盯上它们也是顺理成章。

“既然我们已经在为空间站建造一个光学设备，我们为什么不多走一步，使其成为量子试验台呢？”巴格特说道。