量子通信事关国家信息和国防安全，且有可能改变未来信息产业的发展格局，因此，不可避免地成为世界主要发达国家及地区优先发展的信息科技和产业高地。目前，基于光纤信道的量子通信技术已趋于成熟，但是点对点光纤量子通信的距离难以突破百公里量级。科学界在大量实验与理论研究的基础上普遍认为，通过卫星中转的方式进行远距离量子通信，是实现大范围量子通信的最佳方案。因此，星-地量子通信技术成为量子通信研究领域中极为引人关注的一个热点。

目前中国、欧洲、美国、日本、新加坡、加拿大等国家和地区正在积极开展基于卫星的量子光学和量子通信研究。2016年8月16日，中国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子”号^[1]，2017年6月和8月，“墨子”号相继实现了千公里量级的量子纠缠和星-地量子隐形传态^[2]；日本紧随其后，于2017年7月11日实现了世界首次基于微卫星的空间量子通信实验^[3]。受上述一系列重大突破的激励，其他国家的相关任务预计将在未来数年内陆续发射升空，空间量子通信领域的全球竞争将愈演愈烈。

一、各国空间量子通信计划及部署

目前，多个国家已陆续制定战略和路线图，规划部署未来的空间量子通信发展；美国国家航空航天局（NASA）、维也纳大学、中国科学技术大学等十多个研究机构和团队投身相关研究。

1、美国

美国是最早提出并开展空间量子通信研究的国家，但近期美国更倾向于开展量子计算机以及量子通信理论等量子理论研究，在空间量子通信这个特殊的太空竞赛中部署较少。

美国国家科学技术委员会（NSTC）2016年发布《推动量子信息科学：国家挑战与机遇》报告，指出未来5-10年可靠的光子源及相关技术的研发成功将能实现远距离的量子信息传输（包括空间量子通信）。美国国家科学基金会（NSF）资助的“芯片量子信息”路线图工作组2015年发布《芯片量子信息2016路线图》，希望在未来10年内实现验证基于芯片级载荷的星-地量子通信。NASA发布的2015年版《NASA技术路线图（草案）》中，与卫星量子通信相关的具体技术包括量子密钥分发、量子通信以及超导量子干涉滤波微波放大器。

在项目部署方面，NASA于2014年提出在其总部与喷气推进实验室之间建立远距离光纤量子通信干线“NASA量子网络”，并计划拓展到星地量子通信。NASA的PhoneSat计划希望通过低成本的立方体卫星实现低成本的高速卫星激光通信以及全球量子通信。

2、欧洲

欧洲长期致力于量子通信领域的技术研发，同时还制定了相关政策法规，确保其在量子通信研究中处于技术领先地位。

2016年欧盟委员会发起资助额达10亿欧元的量子技术旗舰计划，提出将在未来5-10年内演示地面到卫星的量子加密通信。2015年欧盟委员会发布新版《量子技术路线图》，提出在未来5年内实现低地球轨道（LEO）的量子通信演示，在未来10年内实现日光下的量子密钥分发，远期将实现地球同步轨道（GEO）的量子通信演示。

在项目部署方面，2002年以来，欧洲空间局（ESA）与来自欧洲、美洲、澳大利亚和日本的多国科学家团队合作开展了“空间中的量子通信”（QSpace）、“适应光终端中的量子通信收发器”（ACCOM）、“量子通信的实验评估”（QIPS）以及“空间量子纠缠实验”（Space-QUEST）等一系列空间量子通信实验项目。

3、日本

日本情报通信研究机构（NICT）于2005年发布了指导未来数十年量子信息技术开发的《量子信息技术路线图》，指出将在2020年实现量子中继，到2035年实现基于空间量子网络和地面多种光纤通信的全球性网络，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

同时日本也积极开展空间量子通信研究。2014年5月24日，NICT研发的“空间光通信研究先进技术卫星”（SOCRATES）任务发射成功，NICT宣称要藉此开展世界首次卫星量子密钥分发实验，2017年7月11日，该任务成功实现了世界首次基于小卫星平台的量子密钥分发实验。

4、新加坡

2007年，新加坡政府投资成立新加坡首个卓越研究中心“量子科技研究中心”（CQT），致力于研究基础量子理论和量子技术开发。新加坡政府将在10年时间内累计为该卓越研究中心提供1.58亿美元经费资助。CQT研究人员开展的基于立方体卫星平台的卫星量子通信验证项目“小型光子纠缠量子系统”（SPEQS-1）目前已经取得了一系列阶段性成果，预计将在2017年底发射升空进行空间验证。

5、加拿大

2017年4月，加拿大创新、科学和经济发展部宣布在未来5年内追加8090万加元投资，重点研究空间量子通信等先进空间技术。加拿大研究机构在空间量子通信领域表现十分活跃，从2010年起至今已经开展了十余项与空间量子通信相关的研究项目。目前加拿大政府正资助开展“量子加密纳卫星”（NanoQEY）、“量子加密与科学卫星”（QEYSSat）等一系列基于小卫星平台开展的空间量子通信任务。

6、中国

2006年，我国将量子通信技术列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2010）》，并在多所高校或科研院所成立了相关的研究机构。中国科学院于2008年启动了知识创新工程重大项目——空间尺度量子实验关键技术研究与验证试验，攻克了星地量子通信的核心关键技术。2011年底，由中国科学技术大学牵头提出并策划的中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2016年8月16日，中国成功发射了世界首颗从事空间尺度量子科学实验的卫星“墨子”号。

二、中、日空间量子通信对比

中国和日本率先实现空间量子通信研究重大突破。

中国在量子通信研究上的成就已经获得了国际认可和高度关注。2017年6月，“墨子”号量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠和量子力学非定域性检验，这意味着量子通信向实用迈出一大步。8月10日，研究团队宣布在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。至此，“墨子”号量子卫星全部三大既定科学目标提前一年成功实现，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展奠定了坚实的科学与技术基础。

日本NICT 7月11日宣布利用50千克级的微卫星平台SOCRATES实现了世界首次基于微卫星的空间量子通信实验，标志着日本正在该领域对中国进行快速追赶。这一成果将激励更多研究机构和企业投入到量子通信研究中，有助于量子通信产业的进一步发展。

中国“墨子”号和日本SOCRATES微卫星在空间量子通信方面的主要参数列在表1中。可以发现，中、日量子卫星实验的主要差别有5点：①卫星重量。“墨子”号的质量比日本SOCRATES卫星高一个数量级。②核心部件光学收发器质量。“墨子”号发射信号光子部分的重复频率同样比日本高一个数量级，同时辅助有诱骗态技术，能克服一些重要的技术上的漏洞。③误码率水平。“墨子”号在275秒范围内误码率都远小于5%，而日本SOCRATES卫星严重压缩了重量，勉强实现了12秒内误码率低于5%。④码率水平。“墨子”号码率水平超过1000 bit/s，最高可达15千比特/秒，而日本研究团队宣称未来经过技术改进，SOCRATES能达到10-100比特/秒的水平。⑤任务目标。“墨子”号目前已经完成了量子密钥分发、纠缠分发、量子隐态传输等系列实验目标，而SOCRATES仅能实现单光子量子密钥分发实验。

表1  中国“墨子”号量子卫星和日本SOCRATES微卫星主要参数对比

值得注意的是，日本在空间量子通信领域也采用了一些有别于中国的先进技术。例如，由于多普勒效应，当激光信号到达地面站的时候，其波长会变短，离开地面站时，波长变长。在中国的量子通信实验里，信号同步采用专用的激光发射同步信号来实现。相比之下，日本能够通过使用量子信号本身实现同步。

三、未来空间量子通信研发竞争趋势展望

当前，除中国开展了较大规模的空间量子卫星实验之外，其他国家和组织，如欧洲、日本、加拿大和美国等对耗资巨大的空间量子通信实验能否成功心存疑虑，故而投资规模相对较小。英国广播公司（BBC）直言不讳地指出：“如果中国量子卫星的尝试失败，其他国家的相对谨慎似乎是明智的；如果成功，其他国家将进行快速追赶^[4]。”可以预见，随着中、日空间量子通信卫星陆续取得重大突破，未来各国政府对空间量子通信的投资有望大幅增长，对该领域领先地位的争夺也将愈发激烈。欧空局Space-QUEST任务、新加坡SPEQS-1任务均有望在2017年内发射升空，加拿大NanoQEY 和QEYSSat任务也将在未来数年内陆续发射升空。

未来空间量子通信研究的竞争热点和发展趋势可能包括两方面：

（1）实现日照条件下的空间量子通信。由于阳光噪声的影响，“墨子”号卫星只能在夜晚工作。由于“墨子”号约有68%的时间暴露在阳光下，因此至少需3天才能完成全球范围内地面站点的覆盖。未来位于更高轨道的量子通信卫星受太阳光照射的概率还会显著增加（同步轨道卫星暴露在光照下的时间高达99%）。2017年7月，潘建伟团队在国际上首次成功实现了白天远距离（53千米）自由空间量子密钥分发，验证了日照条件下开展星地、星间量子密钥分发的可行性，为搭建覆盖全球的量子通信星座打下基础。

（2）拓展小卫星平台研究。利用微小卫星平台低成本、发射机会众多的优势实施空间量子通信研究将是未来发展量子卫星的主要思路之一。目前大多数国家拟开展的量子卫星任务均基于微小卫星平台。潘建伟研究团队也声称为了降低成本，团队可能会转向微纳卫星平台，通过建立小卫星星座实现全球量子通信网络。                 （王海名）