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意大利首次实现距离超20000公里的超远距离单光子交换传输
2019-01-09


[据物理学世界网站20191月7日报道] 近日,意大利帕多瓦大学的研究人员在全球导航卫星系统(GNSSs)的地球轨道卫星和位于意大利的地面卫星接收站间成功实现了距离超过20000公里的超远距离单光子交换传输,创造了新的世界纪录,证实了卫星量子通信在全球范围内实施的可行性。



全球导航卫星系统是由地球轨道卫星组成的卫星星座,可向地面卫星接收器(如移动电话或车辆导航系统)传播定时信号。一些国家已经在1900036000公里的地球轨道空间内建造了自己的地球轨道卫星星座和全球导航卫星系统。



这些系统的工作频段都在大约1吉赫兹的微波频段,这意味着通过全球导航卫星系统传送的信号很容易被第三方实施恶意中断或拦截。这是一个十分重要的问题,因为全球导航卫星系统对于一个国家的经济和军事安全至关重要,一旦受到破坏后果将不堪设想。



量子密钥



量子通信技术利用单光子进行信息传输,为在卫星间及卫星与地面接收器间实现安全和可靠通信提供了一条可行的技术路径。例如,可以通过一种名为量子密钥分发QKD)的成熟技术来为全球导航卫星系统和其他信号进行加密。



单光子交换是一种量子技术,已由维洛雷西(Villoresi)及其同事,于2016年在近地轨道卫星上进行了演示,信号传输距离达到7000公里。2017年,中国和奥地利的物理学家利用一颗卫星在北京和维也纳之间实现了距离长达7400公里的量子密钥分发。



距离更长的通信



19000公里~36000公里地球轨道空间运行的全球导航卫星系统和其他卫星相对于地球表面的移动速度要比之前进行的量子演示中所使用的低轨道卫星慢。此类卫星能与单个地面卫星信号接收站进行更长时间的通信,因此更适合用来创建量子通信网络。然而,在这么远的距离上进行单光子交换仍是一个挑战。



维洛雷西的研究团队使用安装在俄罗斯格洛纳斯(GLONASS全球导航卫星系统卫星上的反射器阵列成功进行了超远距离单光子交换演示。研究人员在意大利航天局马泰拉(Matera)激光测距天文台向格洛纳斯卫星发射一系列激光脉冲,然后光子被卫星接收并反射回马泰拉激光测距天文台,由单光子检测器成功收集。



通过对通信信道损耗的评估,研究人员确定利用现有的技术可以实现在卫星上产生携带密钥单光子的部署。在未来的研究中,他们将开发可放置在全球导航卫星系统卫星上的量子密钥分发光子激发源。(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)



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