研究：地球至太空上行链路量子通信可行

参考消息网 2025-12-20 20:24:46

参考消息网12月20日报道据美国《科学日报》网站12月17日报道，量子卫星最为人熟知的用途是将纠缠光子从轨道传输至地面站，这种方法被用于创建安全性极高的通信链路。最新研究表明，这一过程也可以反向进行，即把量子信号从地球发射至卫星，而这一方案长期以来被认为不切实际。

这一发现扫除了当下量子卫星系统面临的多项主要限制。地面设备能够调用的功率要大得多，维护起来更为简便，且产生信号的强度也大得多。这些优势对于未来构建量子计算机网络至关重要，这些量子计算机将借助充当中继站的卫星实现互联。

这项题为《经由上行卫星信道实现量子纠缠分发》的研究，由澳大利亚悉尼科技大学的西蒙·德维特教授、亚历山大·索恩采夫教授以及该大学一支研究团队完成，近期发表于美国《物理评论·研究》杂志。

索恩采夫说：“现有量子卫星会在太空中生成纠缠光子对，随后将光子对拆分，分别传输至地球上的两个地点，这一过程被称为‘下行链路’。它主要应用于密码学领域，只需要少量光子就能生成密钥。”

科学家们在很大程度上忽视了与之相反的方案，也就是在地面生成纠缠光子并将其向上传输。由于光子在穿越大气层的过程中会出现损耗、受到干扰并发生散射，这一想法被认为不切实际。

德维特说：“我们的构想是，从两个不同的地面站分别发射一个光子，传输给在距地球500公里的轨道上以时速约20000公里运行的卫星，然后让这两个光子以极高的精度相遇，从而产生量子干涉。这真的有可能实现吗？”

研究人员表示，严谨的建模表明，答案是肯定的。德维特说：“令人意外的是，我们的建模结果显示上行链路是可行的。我们的模型纳入了诸多现实因素，包括地球背景光、月球反射的太阳光、大气效应以及光学系统的对准误差等。”

该研究团队说，利用无人机或搭载在气球上的接收器，很快就能测试这项构想。这将为未来依托近地轨道小型卫星构建覆盖多个国家和大洲的大规模量子网络奠定基础。

德维特说：“量子互联网与目前尚处于萌芽阶段的密码学应用有着本质区别。二者的基本原理是相同的，但要实现量子计算机之间的互联，需要用到数量多得多的光子，也就是更大的带宽。”

上行链路方案或许能提供一种切实可行的解决路径。

德维特说：“上行链路方法能够提供这种带宽。卫星只需要搭载一套紧凑型光学装置，对入射光子进行干涉处理并反馈结果即可，不需要用量子硬件每秒生成数以万亿计的光子来抵消地面的损耗，这样就能实现高带宽量子通信。这一方案有助于降低成本和设备体积，使这一方案更加可行。”

德维特将这一长远愿景比作现代电力系统。他说：“未来，量子纠缠将与电力相似。这是一种我们日常提及的、为诸多设备提供动力的公共资源。它的产生和传输过程通常不会被用户察觉，我们只需插上设备的插头就能使用。大规模量子纠缠网络最终将做到这一点。量子设备既可以接入电源，也可以接入纠缠源，借助这两种资源做有用的事。”（编译/卿松竹）

责编：李传新

一审：李传新

二审：杨丹

三审：赵雨杉

来源：参考消息网

我要问