研究人员和业界越来越关注利用量子技术提供的安全性的全球通信网络的前景。然而，一个障碍是缺乏可扩展的“量子中继器”，类似于在长距离经典光纤网络中保持光信号活跃的中继器。
作为替代方案，一些研究小组正在研究基于卫星的量子通信，其中量子信息将通过低地球轨道（LEO）航天器之间的激光束传输。然而，即使是卫星计划也有其缺陷。衍射激光束中的光子损失以及地球本身的曲率可能会将 LEO 卫星之间高效量子链路的实际距离限制在 2000 公里以内。
现在，加拿大卡尔加里大学的研究人员 Sumit Goswami 和美国中佛罗里达大学的 Sayandip Dhara 提出了一项提案，展示了如何克服这些陷阱（Phys. Rev. Appl.，doi：10.1103/PhysRevApplied ） .20.024048）。他们的提议涉及通过一系列间隔相对较近、同步移动的卫星来中继微妙的量子信号。两人表示，这些卫星可以有效地“像光学平台上的一组透镜一样”，沿着地球曲率聚焦和弯曲光束，并防止光子在长达 20,000 公里的距离上损失，而无需量子中继器。
一切都是用镜子完成的
虽然 Goswami 和 Dhara 将他们提出的全卫星量子网络 (ASQN) 中的节点比喻为卫星透镜，但实际上，光学魔法发生在镜子上，以将与吸收相关的光子损失保持在绝对最低限度。简而言之，链中的一颗特定卫星向可能 120 公里外的下一颗卫星发送光束。下一颗卫星用接收镜捕获并重新聚焦光束，并将其从两个较小的镜子反射到最终的发射镜，后者将信号中继到链中的下一颗卫星。
一切都是用镜子完成的
虽然 Goswami 和 Dhara 将他们提出的全卫星量子网络 (ASQN) 中的节点比喻为卫星透镜，但实际上，光学魔法发生在镜子上，以将与吸收相关的光子损失保持在绝对最低限度。简而言之，链中的一颗特定卫星向可能 120 公里外的下一颗卫星发送光束。下一颗卫星用接收镜捕获并重新聚焦光束，并将其从两个较小的镜子反射到最终的发射镜，后者将信号中继到链中的下一颗卫星。
在他们的模型中，Goswami 和 Dhara 考虑了一系列卫星，每颗卫星之间的距离为 120 公里；考虑到地球轨道上的预期光束发散度，这意味着每颗卫星的望远镜直径为 60 厘米。该团队的模型表明，这种中继装置使用涡旋光束将量子信号从一个卫星传递到另一个卫星，实际上可以消除 20,000 公里距离上的衍射损耗。
管理其他损失
解决了衍射损耗后，戈斯瓦米和达拉有条不紊地研究了卫星透镜系统中其他潜在的损耗源。一个明显的问题是一些光子在镜子本身的反射损失，两人认为可以通过将大型金属镜子和小型超高反射率布拉格镜子相结合的配置来控制这一损失。另一个损失来源在于链中卫星的跟踪和定位误差；需要将这种问题控制在最低限度，以保持卫星之间的同步。
最终的损失来源与卫星无关。根据量子通信架构，量子信息需要在地球表面的站点之间传输。对于自由空间光信号，这可能会导致大气湍流导致数据丢失，从而大大增加光束尺寸和扩散。
事实证明，对于上行链路（地面到卫星）中的数据来说，湍流是一个比下行链路（卫星到地面）中更大的问题。这是因为在上行链路中，湍流是在通信链的起始端而不是末端进行肮脏的工作；因此，湍流引起的光束发散和碎片在整个卫星网络的大传播距离上被放大。
性能优于光纤——无需中继器
考虑到所有这些损失来源（以及其他一些来源），Goswami 和 Dhara 对这种中继卫星透镜链在两种情况下如何传输量子信息进行了数值模拟。一种是所谓的纠缠分布，中国研究人员在墨子号卫星上演示了该协议，其中光子在空间中纠缠并通过卫星透镜向不同方向发送，最终传输到地球上相距较远的站点并进行测试为了量子安全。
另一种是更简单的“量子位传输”协议，其中量子位（量子位）简单地从地面站发送到第一颗卫星，通过链传输，最后传送到第二个遥远的地面站。这样的系统需要不同类型的光学设计，以抵消湍流对卫星上行链路的影响。然而，Goswami 和 Dhara 认为这种方法可能具有一定的优势，因为它可以将量子位源和检测保持在更可控、装备更好的地面站中。
在这两种情况下，团队发现 20,000 公里内的总信号损失约为 30 dB。这与仅 200 公里的直接光纤链路所经历的损耗相当（假设光纤中的损耗率为 0.15 dB/km）。“这种基于卫星的低损耗光中继协议，”Goswami 和 Dhara 写道，“将实现稳健的多模全球量子通信，并且不需要量子存储器或中继器协议。”
需要大量工程
戈斯瓦米在给 OPN 的电子邮件中指出：“这个提案的基本作用是将创建量子网络的任务从物理转移到工程。” 然而，他补充说，一些工程可能不会是微不足道的，特别是在设计和开发舰队中的卫星方面。尽管如此，他和达拉在论文中强调，空间技术的最新发展——体现在 SpaceX 等组织的可重复使用运载火箭以及许多私营公司向近地轨道发射的大量经典通信卫星——使得这样一个系统因为他们的 ASQN 比过去更加可行。
Goswami 告诉 OPN，需要大约 160 颗卫星组成的链才能覆盖论文中建模的完整 20,000 公里距离。他指出，随着地球在卫星阵列下方旋转，这样一条对地静止链将每三天覆盖地球大部分地区，因此，戈斯瓦米说，“即使只有一条链也可以在不同时间连接许多地方。” 但是，为了实现不间断的全球量子通信，更大的二维网络将需要数万颗新卫星。
量子网络 是的，也许是量子互联网
Goswami 和 Dhara 相信，通过消除对量子中继器或存储器的需求，他们提出和建模的方案可以开启量子网络中隐含的一系列可能性。这些前景包括通过量子密钥分发进行安全通信、量子计算机的链接以及精确的长距离量子传感。
然而，研究人员承认，一个更复杂的网络——即现在在各种研究实验室中充实的“量子互联网”的长期愿景——仍然需要某种量子存储器来确保完全无损的传输。尽管如此，戈斯瓦米和达拉认为，通过消除衍射损耗，他们的设置将放宽所需量子存储器的一些更严格的效率要求。因此，他们写道，他们的 ASQN 的某些配置不仅可以用于构建轨道量子网络，而且可以证明“实现量子互联网的另一个有趣的候选者”。
