中日量子通信卫星对比

本周一Nature Photonics报道：日本NIST利用超小型卫星实现量子通信。听到这个新闻，先是愣了下，日本啥时候也发量子卫星了？都没怎么看到什么相关报道，忒低调了点。和中国的墨子号相比，日本的量子通信卫星有啥优势？本篇主要比较下这两个量子卫星的实验结果。

日本的量子卫星命名为SOCRATES ( Space Optical Communications Research Advanced Technology Satellite), 似乎不如“墨子号”有意义，就是由单词首字母组成。主要的实验结果如下：在50kg重、轨道高度为650km的微小卫星上，搭载了5.9kg的量子通信发送端。基于B92协议，随机从卫星向地面发送两种非正交的偏振态（偏振角相差45°），发送信号的速率是10MHz, 最终地面接收到的每个脉冲约含0.146个光子，量子误码率达到5%。由于损耗过大，文章中并没有给出具体的码率。

下表给出了一些具体参数的比较：

日本SOCRATES卫星的质量较小，是墨子号的十二分之一，这是它的一个亮点。一方面，重量轻，成本低，利于推广。但另一方面，受重量的限制，卫星中只携带了一个量子通信发送装置，而墨子号中还携带了纠缠光源等其他装置，进行了一系列量子通信实验。

两个卫星都是近地轨道，高度分别是500km和650km。都是采用downlink的方式，即由卫星向地面发送信号。

两个量子卫星都是采用偏振编码的方式，只是具体的QKD协议略有差别。选择偏振编码，是进行空间量子通信的必然选择。至于为什么SOCRATES采用并不常用的B92协议？我猜测可能是由于卫星和地面间相互运动引起偏振转动误差，为了方便识别不同偏振态而采用两种偏振态编码，而不是四种偏振态的BB84协议。

信号光的波长都是近红外波段，墨子号的波长略大。不同的是信号的重复频率，量子号的信号重复频率是SOCRATES的十倍。信号波长位于大气窗口内，损耗较小。

SOCRATES目前的链路损耗是-70dB, 如此大的损耗也导致了它最终没有给出具体的安全码率。相比之下，墨子号的损耗只有-45dB, 小了两个数量级，最终的安全码率为1.1 kbit/s。由此看来，墨子号在控制损耗方面还是胜出SOCRATES不少！至于具体的损耗控制技术，详见“墨子号”实现1200km量子通信。

关于量子比特误码率（QBER），SOCRATES只能在15s内维持QBER在5%左右，其他时间最高可达到20%多，已经超出了QBER的上限。而墨子号可以在近5min内维持QBER在2%左右，较为稳定。墨子号胜出！

总体说来，墨子号在技术层面是领先于SOCRATES。但日本SOCRATES也有其特点，成本低是一大优势，更有利于商用的推广。希望它能早日解决链路损耗的难题。另外，推荐一篇综述文章 arXiv 1707.03613 Progress in satellite quantum key distribution, 系统地介绍了量子通信卫星的最新进展，感兴趣的小伙伴可以查阅。

还是很喜欢日本人这种低调务实的作风，不声不响就做出了成果。文章的切入点不是上来就开始blabla量子通信的优点，而是从卫星光通信开始引入，有种耳目一新的感觉。感觉他们是正在做卫星光通信，顺带做了下量子的相关实验。有机会后面调研下卫星光通信 optical satellite communication。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望不吝指出！

参考文献：

1. H.Takenaka, et.al., Satellite-to-ground quantum-limited communication using a 50-kg-class microsatellite, Nature Photonics

2. S. K. Liao, et.al., Satellite-to-ground quantum key distribution, arXiv 1707.00542(2017).