新研究发现基于卫星的量子加密网络简便方法

上图所示，研究人员从地面测量了来自卫星的激光信号，并通过地球的重力势和大气湍流进行了探测。在这种条件下成功地描述量子特征是实现全球量子通信网络的一个先决条件。图片来源：谷歌ESA卫星图片。

在一项最新的研究中，研究人员展示了地面上测量激光在地球上空38000公里卫星上发射的量子态。这是第一次从如此遥远的地方实现量子态的详细测量。

来自德国马克斯·普朗克光学研究所的Christoph Marquardt说：“我们很惊讶量子态在大气湍流中了安全传输到地面站，其传输效果是这样好。”本文论证了卫星技术已经在空间上进行了严格的环境试验，可以用来实现量子有限测量，从而使卫星量子通信网络成为可能。这大大减少了开发时间，这意味着从现在起五年内就可以实现这样一个系统。

基于卫星的量子加密网络将提供一种极其安全的方法来加密远距离发送的数据。在五年内开发这样一个系统在时间表上将是是一个非常快的进度，因为大多数卫星需要大约10年的发展。通常这种研发需要从计算机到螺钉的每一个部件必须经过测试和批准，以便在恶劣的空间环境条件下工作，并且必须在发射过程中经历的重力变化中幸存下来。

在埃朗根的马克斯普朗克研究所，Marquardt和他的同事的这项最新的研究，已发表在美国光学学会的高影响力研究杂志《光学》期刊上。

利用光线使数据更安全

如今，短信、银行交易和健康信息都是用基于数学算法的技术加密的。这种方法之所以有效，是因为很难找出用于加密给定数据的精确算法。然而，专家认为，足以破解这些加密码的计算机很可能在未来10到20年内就会出现。

迫在眉睫的安全威胁已经把更多的注意力放在实现更强大的加密技术，如量子密钥分配。量子密钥分配不使用数学，而是利用被称为量子态的轻粒子的特性来编码和发送解密编码数据所需的密钥。如果有人试图测量光粒子来窃取密钥，它会改变粒子的行为，从而提醒密钥通信方，密钥已经被破坏，不应该被使用。该系统可自动检测窃听的事实意味着保证通信的安全。

尽管量子加密的方法已经发展了十多年，但它们在长距离工作不起作用，因为用于地面电信网络的光纤中残留的光损耗降低了敏感的量子信号。量子信号不能再生，而不改变其性质，通过对经典光学数据进行光放大器来实现。出于这个原因，最近有人在开发一个基于卫星的量子通信网络来连接位于不同大都市区、国家和大洲的陆基量子加密网络。

虽然新的发现表明量子通信卫星网络不需要从头开始设计，Marquardt指出，可利用基于地面的系统转换成基于量子的加密，将量子态与卫星通信仍然需要5到10年的时间进行开发。

测量量子态

在实验中，Marquardt的团队与航天卫星通信公司Tesat-Spacecom和德国航天局进行合作研究。德国航天局此前与德国经济和能源部Tesat-Spacecom公司签订合同，共同致力于卫星光通信技术的发展。这种技术现在被加载到哥白尼系统中的商业激光通信终端上，哥白尼系统是欧盟的地球观测项目，还包括欧洲数据中继卫星系统。

事实证明，这种卫星光通信技术很像在马克斯普朗克研究所开发的量子密钥分配方法。因此，研究人员决定看看是否有可能测量从太空中的一颗卫星发射的激光束中编码的量子态。在2015和2016年初，研究团队在西班牙的特内里费的地面观测地面站进行这些测量。他们在一个卫星通常不工作的范围内创造了量子态，并能够从地面进行有限的量子测量。

“从我们的测量中，我们可以推断到地球的光非常适合作为量子密钥分配网络的运行，”Marquardt说。“我们很惊讶，因为这个系统原不是为这而建造的。工程师们在优化整个系统方面做了出色的工作。”

研究人员现在正在与Tesat-Spacecom公司以及其他航天设计工业单位合作设计基于空间已经有的硬件进行升级。这将需要升级激光通信设计，将基于量子的随机数生成器创建随机密钥并集成密钥的后处理。

Marquardt表示：“太空工业和其他组织对我们的科学发现有着浓厚的兴趣。作为基本的科学家，我们现在正与工程师一起创造最好的系统，并确保不忽略任何细节。”