上圖所示，研究人員從地面測量了來自衛星的激光信號，并通過地球的重力勢和大氣湍流進行了探測。在這種條件下成功地描述量子特征是實現全球量子通信網絡的一個先決條件。圖片來源：谷歌ESA衛星圖片。

OFweek 光通訊網訊：在一項最新的研究中，研究人員展示了地面上測量激光在地球上空38000公里衛星上發射的量子態。這是第一次從如此遙遠的地方實現量子態的詳細測量。

來自德國馬克斯·普朗克光學研究所的Christoph Marquardt說：“我們很驚訝量子態在大氣湍流中了安全傳輸到地面站，其傳輸效果是這樣好。”本文論證了衛星技術已經在空間上進行了嚴格的環境試驗，可以用來實現量子有限測量，從而使衛星量子通信網絡成為可能。這大大減少了開發時間，這意味著從現在起五年內就可以實現這樣一個系統。

基于衛星的量子加密網絡將提供一種極其安全的方法來加密遠距離發送的數據。在五年內開發這樣一個系統在時間表上將是是一個非常快的進度，因為大多數衛星需要大約10年的發展。通常這種研發需要從計算機到螺釘的每一個部件必須經過測試和批準，以便在惡劣的空間環境條件下工作，并且必須在發射過程中經歷的重力變化中幸存下來。

在埃朗根的馬克斯普朗克研究所，Marquardt和他的同事的這項最新的研究，已發表在美國光學學會的高影響力研究雜志《光學》期刊上。

利用光線使數據更安全

如今，短信、銀行交易和健康信息都是用基于數學算法的技術加密的。這種方法之所以有效，是因為很難找出用于加密給定數據的精確算法。然而，專家認為，足以破解這些加密碼的計算機很可能在未來10到20年內就會出現。

迫在眉睫的安全威脅已經把更多的注意力放在實現更強大的加密技術，如量子密鑰分配。量子密鑰分配不使用數學，而是利用被稱為量子態的輕粒子的特性來編碼和發送解密編碼數據所需的密鑰。如果有人試圖測量光粒子來竊取密鑰，它會改變粒子的行為，從而提醒密鑰通信方，密鑰已經被破壞，不應該被使用。該系統可自動檢測竊聽的事實意味著保證通信的安全。

盡管量子加密的方法已經發展了十多年，但它們在長距離工作不起作用，因為用于地面電信網絡的光纖中殘留的光損耗降低了敏感的量子信號。量子信號不能再生，而不改變其性質，通過對經典光學數據進行光放大器來實現。出于這個原因，最近有人在開發一個基于衛星的量子通信網絡來連接位于不同大都市區、國家和大洲的陸基量子加密網絡。

雖然新的發現表明量子通信衛星網絡不需要從頭開始設計，Marquardt指出，可利用基于地面的系統轉換成基于量子的加密，將量子態與衛星通信仍然需要5到10年的時間進行開發。

測量量子態

在實驗中，Marquardt的團隊與航天衛星通信公司Tesat-Spacecom和德國航天局進行合作研究。德國航天局此前與德國經濟和能源部Tesat-Spacecom公司簽訂合同，共同致力于衛星光通信技術的發展。這種技術現在被加載到哥白尼系統中的商業激光通信終端上，哥白尼系統是歐盟的地球觀測項目，還包括歐洲數據中繼衛星系統。

事實證明，這種衛星光通信技術很像在馬克斯普朗克研究所開發的量子密鑰分配方法。因此，研究人員決定看看是否有可能測量從太空中的一顆衛星發射的激光束中編碼的量子態。在2015和2016年初，研究團隊在西班牙的特內里費的地面觀測地面站進行這些測量。他們在一個衛星通常不工作的范圍內創造了量子態，并能夠從地面進行有限的量子測量。

“從我們的測量中，我們可以推斷到地球的光非常適合作為量子密鑰分配網絡的運行，”Marquardt說。“我們很驚訝，因為這個系統原不是為這而建造的。工程師們在優化整個系統方面做了出色的工作。”

研究人員現在正在與Tesat-Spacecom公司以及其他航天設計工業單位合作設計基于空間已經有的硬件進行升級。這將需要升級激光通信設計，將基于量子的隨機數生成器創建隨機密鑰并集成密鑰的后處理。

Marquardt表示：“太空工業和其他組織對我們的科學發現有著濃厚的興趣。作為基本的科學家，我們現在正與工程師一起創造最好的系統，并確保不忽略任何細節。”