天宫二号上的量子往事

本文来自微信公众号：墨子沙龙（ID：MiciusSalon），作者：林梅，头图来自：视觉中国

上个月小墨为大家带来了一个好消息——世界首颗量子微纳卫星“济南一号”被送入预定轨道，即将开展研究工作。本月，该团队又为我们带来了好消息，我们的“量子星座”在太空中又多了一位新成员。

说是新成员，其实它比“济南一号”更早进入太空。早在2016年9月，我国的天宫二号发射升空，它是我国空间实验室建设之路上的里程碑，除了作为中国第一个真正意义上的空间实验室被永远载入史册，它飞行在轨的三年时间里，向国内外相关机构开放合作，完成的各项空间科学实验也体现了我国作为大国的责任担当和与日俱增的科技实力。其中，它搭载的一个量子密钥分发终端，就是一个注脚。相关研究成果于8月18日发表在学术期刊《Optica》上。

一、“大块头”的难题 

在介绍“济南一号”的时候，我们已经提到，“墨子号”发射升空后，不负众望，完成了人类量子通信历史上很多个“第一次”。但，就实用性来说，一个“墨子号”还远远不够。之所以这么说，是因为“量子通信”不仅仅是一个写在论文里的科研课题，它更是要落到实处——为需要高度安全通信服务的用户们提供高效便捷的保障，同时，出于产业化的考虑，研发、运营成本还要控制在一定范围内。

单独一个“墨子号”显然难以完成这样的使命。

首先，“墨子号”作为先驱者，它的块头太大了，仅量子密钥分发（QKD）载荷大约就有0.669立方米，重达132.4公斤。这么大的块头，意味着很大的功耗和很高的发射、运营成本。从实际使用的角度看，“墨子号”采取的是太阳同步轨道，这样的安排自有其好处，但也有其弊端。

所谓太阳同步轨道卫星，指的是，这样的卫星不随地球自转而运动，它的轨道自有规则——轨道平面与太阳保持固定取向，而且经过南北两级附近，和赤道平面的夹角接近90度。可以想象，这种以太阳为榜样的轨道运行方式，特别“普惠”，地球上每个角落每天都可以几乎公平地享受到“阳光”，但是，也由于这种方式特别的“雨露均沾”，没有重点惠及哪个地区，对于人群密度大、密钥数量要求高的地区，每天可能只有短短几分钟的过境时间，远远适应不了要求。

那么，为了适应那些人群密集地区的实际需要，量子星座必须配备一些专门为他们考虑的卫星。从实际出发，北半球中等纬度地区，集中了大量对保密通信有需求的人群和机构（只要看一下世界地图，就能清楚地意识到这一点）。针对这样的特殊使命，我们的量子星座里需要布局一些针对这些地区的卫星载荷，以便于密集、高效地为这些地区提供高通量的量子密钥。这时候，中等倾角轨道就是一个比较适合的选择。

所谓轨道的倾角，通常指的是卫星轨道平面与某个参考平面（比如地球赤道平面）之间的夹角。一般来说，倾角越低，所针对地区过境次数就越多，比如，当倾角是零，那么赤道平面上每天都可以跟低轨卫星打好几次照面儿。但是我们知道，倾角是零的轨道，纬度稍微高一点儿就看不到了，所以对于处于北纬30度—50度的重要目标地区，中等轨道倾角是度身定做的。它虽然每天过境次数没有小倾角那么多，但是也比太阳同步轨道多一些，对于中纬度地区来说，是一个可行的办法。

二、“天宫二号”QKD细端详

天宫上搭载的量子密钥分发载荷，就是奔着“小型化载荷”和“中等轨道倾角”这两项突破去的。

先说“小型化”的问题。天宫上搭载的量子密钥分发载荷只有0.190立方米，重量为57.9公斤，还不到“墨子号”载荷的一半，相应地，功率也由“墨子号”的130瓦降低到了80瓦。

而在轨道倾角方面，天宫二号大约为42度，高度为400公里，正适合我们低轨、中等倾角的需求。

载荷在地面上进行测试

天宫二号与“墨子号”同一年升上太空，在大家纷纷关注“墨子号”的表现时，天宫二号上的量子密钥分发载荷也没有辜负科研人员的努力。2017年，它完成了和南山地面站之间的量子密钥分发实验，科研人员选择将成果发表在了国内自己的期刊《中国物理快报》上。

2018年，天宫二号开始验证组网的能力，它希望自己能像一个“鹊桥”一样，让地面上的两处距离遥远的双方，可以共享密钥。这次，和天宫二号打配合的地面站分别位于南山、丽江、兴隆和德令哈，这四个地面站分布于北纬26度—44度，东经87度—118度之间。

丽江地面站

与之前的实验一样，这次依然基于BB84协议的“诱骗态版本”，天宫上的载荷包含QKD发射器、同步模块和跟踪系统，地面站则配备有望远镜来接收光子，自动跟瞄系统的总精度达到1~2微弧度。

在2018年秋天到2019年冬天的三四个月时间里，科学家选取了19个日子进行实验。虽然具体的天气状况、不同地面站的地理位置、技术性能，会对QKD的效率和质量产生影响，但是可以明确显示出，一个地面站一个晚上可以获得不止一个可用通道，通信时间和可获取的密钥数量都大大增加。

此外，科学家还利用天宫二号作为中继，离线原理性地演示了四个地面站之间的量子网络。

三、“量子星座”正向我们走来

现在，“天宫二号”和“墨子号”、“济南一号”一样，我们都不再陌生了，细心的你一定能感觉到，“星座”这个构想的宏大和壮阔。之前，小墨和你一样，想象不出量子星座是个什么样，现在了解了在不同轨道运行工作的紧凑型载荷“天宫二号”和微纳卫星“济南一号”，好像渐渐可以想象量子星座的面貌了。

其实，星座的设计不是量子通信的原创，我们知道从最早的“铱星”计划，到后来马斯克的星链、还有一些执行特殊任务的遥感卫星，为了保证对需要地区的覆盖，且兼顾效率和观测频率，都会根据具体需要，将不同轨道高度、不同轨道倾角的卫星进行组网，它们之间，高度、甚至相位都可能不同，它们协同编队，取得最经济高效的结果。

量子星座也是这般，需要各种不同高度、不同轨道的卫星相互配合，在此次的工作中，科学家也对这种构想进行了一些理论探讨。他们发现，采用两个中等倾角轨道卫星配合的办法，既可以有效增加密钥通量，又可以弥补一些单个中等倾角卫星覆盖不规则的问题，而对于一些它们都无法覆盖的地区，太阳同步轨道卫星就是一个很好的补充。

现在，天宫二号已经结束了它的历史使命，而更加小型化的“济南一号”将要在它的轨道施展拳脚。今后，量子星座会越来越立体，在实用化、小型化、低成本的路线基础上，多种不同类型的低轨道卫星、辅以中高轨道量子卫星和地面的光纤网络，可以让量子密钥在天地一体化的网络中安全、高效地自由驰骋。

本文来自微信公众号：墨子沙龙（ID：MiciusSalon），作者：林梅