摘要光是人類最早的科學研究對象之一，光子是光的最小能量單元，具備量子的基本特征。隨著科學技術發展，人類已經能夠實現對單個光子的極限探測。光的常規探測已經普遍應用于地面光纖通信中，而光的極限探測則在空間量子通信及深空超遠距離光通信中具備重要的應用價值。文章介紹了光極限探測技術在空間量子科學實驗、空間光子通信中的典型應用及涉及的核心技術。

1引 言

光是人類生活中必不可少的物質，人們對光的認知也經歷了很長的過程。早在先秦時期，《墨經》中就有關于光的直線傳播與小孔成像的記載[1]。西方經過歐幾里得、笛卡爾、費馬等科學家的研究，總結了光的反射、折射等定律，奠定了幾何光學的基礎。17世紀，牛頓發現了光的色散現象，并提出了光的“微粒說”。1690年惠更斯提出了光的波動學說，1801年楊氏雙縫實驗證明了光的波動性。此后，科學家們圍繞光的波動性和粒子性一直爭論不止[2]。直到1905年，愛因斯坦在光電效應實驗的基礎上提出了光子假說[3]，認為光既是粒子又是波。光是由光子組成的光子流，光的能量和其頻率成正比，并且光子具有“整體性”，只能被整個地吸收或放出，只有當單個光子的能量大于電子的逸出功時，才可以激發出金屬表面的自由電子，即產生光電效應。

根據光電效應原理可以進行光電探測，隨著人們對各類研究的不斷深入，如在量子通信以及超遠距離光通信研究中，由于發射端的信號源本身非常微弱或者傳輸鏈路的損耗非常大，需要在接收端對各種極微弱的光進行探測，甚至對單個光子進行極限探測。單個光子所產生的光電流很難檢測到，因此在進行單光子探測時，通常使用基于多級倍增原理的光電倍增管，或者基于半導體雪崩效應的蓋革模式雪崩二極管，將光電流進行放大以便檢測。此外，還有一種新型的超導納米線單光子探測技術，由于具有更高的探測效率，更短的死時間和更低的暗計數率，逐漸成為主流的單光子探測技術[4]。

本文將圍繞光的極限探測技術，介紹其在空間量子科學實驗、空間光子通信中的應用，并對我國第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”，以及國內外的空間光子通信系統進行簡要介紹。

2空間量子科學實驗

光子是光的最小能量單元，具備量子的基本特征，包括波粒二象性、不可分割、測不準原理、不可克隆原理等。隨著光子操縱及探測技術的發展，產生了一門新的交叉學科——量子信息學。量子通信是量子信息學中發展最成熟的方向之一，其利用量子力學原理對量子態進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，具備信息論安全的特性。量子通信最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號不能像經典通信那樣被放大，而且光纖傳輸會引起光子的偏振態退化效應，這使得之前量子通信的世界紀錄僅為數百公里量級[5]。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來奮斗的共同目標。利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由于衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。自本世紀初以來，該方向已成為了國際學術界激烈角逐的焦點。

2011年底，中國科學院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項，中國科學技術大學潘建偉教授研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、上海微小衛星創新研究院、國家空間科學中心等多個單位成功研制了“墨子號”量子科學實驗衛星，于2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空。“墨子號”量子衛星圓滿完成了星地量子密鑰分發、量子糾纏分發以及隱形傳態等科學目標[6—8]。衛星實物圖及天地量子實驗照片如圖1所示，其中紅色光束代表地面站發射的信標激光，用來給衛星指示地面位置，綠色線為衛星信標光點滑過空間的軌跡。

量子密鑰分發，顧名思義就是通過量子態的傳輸，使遙遠兩地的用戶共享密鑰，可利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類已知的不可竊聽、不可破譯的信息論安全的通信方式。量子密鑰分發實驗采用衛星發射量子信號、地面接收的方式。“墨子號”量子衛星過境時，與地面光學站建立光鏈路，通信距離從500 km到1200 km。衛星上量子密鑰光源平均每秒發送4000萬個信號光子，平均成碼率1.1 kbps，一次過軌實驗可生成300 kbit的安全密鑰[6]。這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。以星地量子密鑰分發為基礎，將衛星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發范圍擴展到覆蓋全球。

圖2 星地量子密鑰分發示意圖

圖2為星地量子密鑰分發的示意圖[6]，系統由衛星與光學地面站兩部分組成。衛星過境地面站時通過光學與跟蹤瞄準系統建立衛星與地面站之間的量子光鏈路。衛星作為信號發射端，通過四個激光器(LD1、LD2、LD3、LD4)結合偏振棱鏡、分光棱鏡、半波片等產生四個偏振態(水平、豎直、45°、135°)的激光脈沖，四個激光器根據隨機數分時發光，激光脈沖再經過衰減后使得平均脈沖光子數小于1個，也成為誘騙態量子光源(圖2(b))。地面站采用大口徑光學望遠鏡接收衛星發射的微弱光信號，通過分光棱鏡、偏振棱鏡、半波片等對衛星量子信號進行偏振解調，將對應偏振態的光子分別傳送給四個單光子探測器(SPD1—4)測量光子到達時間(圖2(c))。考慮到衛星繞地球運動時引起的雙端偏振基矢方向變化，地面端采用可旋轉的半波片校正旋轉偏差。衛星與地面站根據特定的量子密鑰分發協議(如BB84協議)開展后續的密鑰比對與糾錯等步驟，最終生成收發兩端共享的密鑰。量子密鑰分發的安全性主要體現在兩個方面：一是由于單光子不可分割，發射端發送的光子要么被接收端收到，要么被竊聽者獲取，而只有接收端實際接收到的光子才用來產生最終的密鑰，因此竊聽者獲取不到密鑰信息；二是假如竊聽者技術先進到可以將發射端發送的所有光子全部截獲并復制后發送給接收端，由于單光子態不可克隆，發射端發送的單光子偏振態本來服從一定的概率分布，人為的測量將會影響該偏振態的分布，通過收發雙端的密鑰比對系統可以識別出竊聽者的存在。

由于單光子態不可克隆，無法通過人為測量的方法傳遞單光子態，量子隱形傳態技術利用量子糾纏特性可以將物質的未知量子態精準傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。地星量子隱形傳態采用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。“墨子號”量子衛星過境時，與海拔5100 m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500 km到1400 km，所有60個待傳送態均以大于99.7%的置信度超越經典極限[8]。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網絡研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。

圖3 地星量子隱形傳態示意圖

圖3為地星量子隱形傳態的示意圖[8]，系統同樣由衛星與光學地面站兩部分組成。衛星過境地面站時通過激光捕獲跟蹤與瞄準技術建立衛星與地面站之間的量子光鏈路，衛星端包括二維擺鏡、跟蹤相機及快反鏡等，地面端包括信標、跟蹤相機、二維轉臺等。地面站作為信號的發射方，配備多光子量子糾纏源(圖3(b))產生糾纏光子對，將其中1路光子通過單模光纖連接跟瞄系統發送到衛星上，其他地面測量。衛星上的載荷設備采用光學望遠鏡收集地面發送的光子信號，將信號傳輸給兩路星載單光子探測器(圖3(d))。單光子探測器測量到的光子狀態用于量子隱形傳態的信息處理。衛星載荷設備采用高隔離度的分光片、窄帶濾光片以及時間同步技術降低背景噪聲。

在空間量子科學實驗中突破了多項核心關鍵技術，本文主要介紹與單光子傳輸和探測有關的兩項技術：一是單光子探測器在空間環境中的應用；二是高精度星地光路對準。

單光子探測器在空間環境中的應用一直是國際技術難題，其難點主要體現在外太空環境中存在大量高強度的輻射粒子，尤其是質子輻射會造成單光子探測器的晶格缺陷，也就是位移總劑量效應，從而引起單光子探測器暗計數的暴增。暗計數是單光子探測器的固有噪聲與核心指標，由于量子通信中有效信號非常微弱，暗計數成為制約系統信噪比的核心因素。據輻照實驗評估，不采取特殊措施時太空輻照帶來的單光子探測器暗計數每天的增量約為300 cps/天(cps是“個/秒”的縮寫)，已超過了空間量子科學實驗可容忍的上限。

“墨子號”量子衛星中采用硅基蓋革模式單光子探測器，根據機理分析，影響其暗計數的因素主要有兩個方面：一是空間輻照環境帶來的微分質子能譜，能譜越高暗計數越高；二是探測器的工作溫度，工作溫度越高，損傷造成的材料漏電流越大，從而暗計數越高。為此，“墨子號”量子衛星中采取了兩種措施：一是在單光子探測器的外圍打造全周的金屬屏蔽體減少空間輻照通量，使用鉭和鋁材料構建了等效22 mm的鋁屏蔽，結果表明可以降低50%以上的質子注量；二是創造更低溫的工作環境，首先采用熱管及冷板將探測器的安裝座熱量傳遞到外太空冷背景空間，將探測器的環境溫度降低到零下40℃以下，然后再采用半導體制冷器將探測器內核溫度進一步降低到零下60℃。通過這些措施，實測單光子探測器在太空中的暗計數增量降低到了小于1 cps/天[9]，將探測器的可用壽命從幾天提高到了數年。圖4為“墨子號”量子衛星載荷中單光子探測器安裝示意圖及實物圖，四個單光子探測器使用鋁防護體包圍起來，鋁防護體內部還有一層鉭屏蔽層，熱管將鋁防護體連接到衛星對外太空的冷板上以便于降溫。

圖4 “墨子號”量子衛星中的星載單光子探測器

為了降低鏈路損耗，星地量子通信中量子信號的發散角非常窄，在2角秒左右。星地高精度光路對準技術用于在衛星高速運動下實現衛星同時與兩個地面站的高精度激光鏈路建立，鏈路對準精度達到0.2角秒。由于衛星平臺相對地面站的高速運動以及平臺中的微振動干擾，如何將微弱的量子信號精確地瞄準地面站是其中的關鍵問題。“墨子號”衛星為低軌道衛星，在一軌實驗過程中對地面站的可視時間小于10分鐘。以雙站量子實驗任務為例說明衛星同時對兩個地面站的量子鏈路建立過程，如圖5所示。當衛星位于地面站1水平線以下時開始調整姿態，在飛行到地面站1的5°仰角時(B點)完成衛星對站指向；在地面站1的15°仰角(C點)前，要求衛星與地面站1完成量子光鏈路的建立并保持。相對于地面站2，當衛星到達地面站2的5°仰角(D點)以上時開始鏈路建立，在地面站2的15°仰角(E點)前完成與地面站2的量子光鏈路建立并保持。當衛星位于兩個地面站±75°天頂角的交叉區域(E—F)時進行量子通信，當衛星飛行出實驗區域時中斷鏈路。由于低軌衛星過站時間短，要求衛星載荷對地面站的捕獲時間小于3 s，并滿足實驗過程中的跟蹤范圍要求。

圖5 星地光鏈路建立過程

為了實現衛星同時對兩個地面站的鏈路建立，采用衛星對站指向和載荷粗、精跟蹤相結合多級跟蹤架構，如圖6所示。衛星平臺具備對地面站姿態機動能力，指向角度根據衛星軌道位置與地面站位置計算得出，指向精度優于0.5°。衛星配置兩個光機載荷，分別基于二維指向鏡形式與二維轉臺形式。基于二維指向鏡的載荷在衛星姿態指向地面站1基礎上，對地面站1進行粗跟蹤與精跟蹤。基于二維轉臺的載荷具備獨立大范圍對站指向能力，將載荷望遠鏡指向地面站2，再利用快速反射鏡實現精跟蹤。粗跟蹤精度達到0.005°，精跟蹤精度達到0.00005°。

圖6 星地高精度光路對準示意圖

3空間光子通信

2021年6月11日，國家航天局公布了“天問一號”祝融號火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌等影像圖[10]，如圖7所示。隨著我國首次火星探測任務的開展，航天器指令發送及收集到的各類觀測數據、狀態信息的實時回傳對更可靠、性能更優越的測控通信技術提出了要求。但是，微波通信的性能在面向更遠、更快的通信需求時顯得日益窘迫(例如“天問”上搭載的高光譜、超光譜載荷所提供的高分辨率影像實時回傳)，這為空間通信技術的發展指明了新的方向。

空間激光通信技術是利用激光束作為信息載體，實現兩應用目標間通信的技術，由于其具有信道容量大、功耗低、體積小、抗擾能力強及無頻譜使用限制等優勢，近年來被廣泛應用于同步軌道、中低軌道及深空衛星等通信任務中，是解決高速數傳的有效途徑[11]。

自20世紀90年代起，空間激光通信技術進入了飛速發展的三十年。在歐洲航天局的SILEX系列激光通信實驗中[12]，簡單、低成本的強度調制/直接探測(IM/DD)方式得到了廣泛應用，即按照一定關系把信息比特映射到特定時間長度的光脈沖中，再利用光電探測器響應光輻射強度變化并直接輸出相應的電壓和電流來完成信息獲取，這個過程只利用了激光的強度信息。在更遠、信噪比更低的通信場景下，利用激光的相位信息實現通信的相干探測體制則更具優勢。在發射端，信息被加載到光波的幅值、偏振或相位上，從而具有更高的接收靈敏度；接收端則利用本地振蕩器產生的同頻激光和接收信號光進行相干混頻，再通過數字濾波恢復基帶信號。2008年，在德國航空航天中心研制的5.625 Gbps相干激光通信終端LCT上，這一技術首次得到空間應用[13]。

作為常規空間激光通信體制的兩大代表，IM/DD與相干探測各有優勢，但是在激光通信面向深空探測的應用中，它們仍存在不容忽視的短板。以月—地通信鏈路為例，在40萬公里的距離下，按照典型星地終端參數計算得到的全鏈路通信光損耗達到-90 dB以上。而直探體制一般接收靈敏度在-33 dBm左右，意味著月地通信發射功率需要達到57 dBm(500 W)，不具備可行性；相干體制的接收靈敏度雖然可以達到-46 dBm，對月發射功率44 dBm(25 W)的可實現性仍然不高，此外接收系統易受大氣湍流和多普勒頻移效應等影響，存在鎖頻不穩定的因素。對比上述的兩種方案，單光子通信體制將探測靈敏度提升了2—3個數量級，只需瓦級功率的激光器即可實現Gbps以上的通信速率，為面向深空的激光通信提供了一條可行之道。

單光子通信技術在深空通信中目前應用最成功的驗證是2013年由美國NASA和MIT Lincoln實驗室合作的月地激光通信演示實驗(LLCD)[14]，該實驗創新性地應用了包括高峰值功率光纖發射機[15]、高效的脈位調制(PPM)、級聯Turbo糾錯編碼[16]、超導納米線陣列探測器[17]及地面望遠鏡分集接收等一系列新技術，實現了月地鏈路上最大速率622 Mbps的下行數據傳輸，如圖8所示。此外，將于幾年后實施的美國DSOC計劃[18]和歐洲DOCS計劃[19]也將采用類似的方案，在小行星以及日地拉格朗日點等更遠的深空鏈路下(0.25—2 A.U.，1A.U. =1.496×108km)實現較高速(Mbps量級)的激光通信。

圖9為空間光子通信系統的組成示意圖。和一般的激光通信系統類似，空間單光子通信系統包括發射終端與接收終端兩部分，或者終端將發射與接收合為一體。發射端包含信源、編碼、調制、激光光源、光學天線以及跟蹤捕獲裝置，接收端包括接收光學天線、探測器、解調、解碼、信宿以及跟蹤捕獲裝置。最大區別在于接收端采用單光子探測器，能夠響應相當弱的信號光脈沖(幾個光子/脈沖)，因為主要面向深空等衰減巨大的鏈路，因此傳輸信道、調制編碼方法等與前者也存在一些差別。

圖9 空間光子通信系統示意圖

光子通信中的主要技術難點體現在三個方面：一是背景光干擾，采用光子探測的激光通信極大地提高了探測靈敏度，但同時背景光的影響相比其他通信體制更嚴重；二是探測速率受限，受常規單光子探測器死時間限制，最大計數速率一般小于50 M/s，為實現Gbps量級的通信速率，需研究提高通信速率的對策；三是超遠距離光鏈路的捕獲、跟蹤與瞄準，近地衛星的捕獲跟蹤與瞄準策略將不再適合深空情景，需研究適合深空環境的跟瞄方案。

高效單光子調制技術：由于接收端的光子數量極為匱乏，很難恢復出光載波的相位、頻率等信息，因此光子調制技術首先需要考慮的就是光子利用效率。一般常用的開關鍵控(OOK)方式功率利用率低(1比特/脈沖)，且抗干擾能力較差，在超遠距離鏈路下不適用，因而在光子通信中使用功率利用率高的脈沖位置調制(PPM)方案。PPM調制將n位二進制數據映射到2n個時隙段中的某一個脈沖信號，圖10為4-PPM與OOK的比較示意圖，圖中4-PPM將2位二進制數據映射到4個時隙位置中的不同位置，從而只需要一個光脈沖就可以傳遞2個比特的數據。此外聯合偏振信息調制，還可以成倍提升系統的通信速率。

圖10 強度調制方式比較：OOK和PPM

高效編解碼技術：由于通信接收終端對于光子極其敏感，由月球等天體引起的背景噪聲(105—106光子/秒)無法忽視，光子泊松信道下的信號丟失、背景光干擾均會帶來誤碼率提升，因此結合泊松信道，基于里德—所羅門奇偶校驗碼(RS)、低密度奇偶校驗碼(LDPC)或Turbo卷積碼與高階脈位調制級聯的串行級聯調制編碼及同步方案(RS-PPM、LDPC-PPM及SCPPM)[20]在深空光子通信信道編碼中得到了廣泛應用。SCPPM作為深空激光通信中性能優異的編碼方案，與傳統Turbo碼在編碼的內外層卷積碼結構及譯碼的內外碼概率信息迭代軟判決上有著相似之處，區別在于交織器(Interleaver)和內碼累加器以及解調作為一個內碼整體進行譯碼，同時解決了突發錯誤、長碼優勢和解調三個問題。采用SCPPM編碼可以實現優于1光子/比特的通信靈敏度，并達到優于10-7的誤碼率。

高速單光子探測技術：光子通信對單光子探測的要求主要是光子分辨和探測速率，即具備識別同時到達光子數的能力，以充分利用信噪比剔除噪聲影響，并且探測死時間足夠小，能夠滿足目標通信速率要求。常規探測器諸如光電倍增管、硅基雪崩單光子探測器、超導納米線探測器(SNSPD)等雖然性能各具優勢，但都無法同時滿足高計數率與光子數分辨要求，因此目前較有潛力的方法是采用多像元SNSPD陣列和基于光纖分束的蓋革APD多路接收方法[21]。

蓋革模式APD反偏電壓大于二極管的擊穿電壓。當光子被吸收產生一個電荷時，電荷倍增(雪崩)直到飽和，飽和電流一般由外部電路限制，電流可以自我維持。在APD能夠響應后續光脈沖前，必須使偏置電壓低于擊穿電壓來終止飽和雪崩電流。

超導納米線探測器是一種新型單光子探測器(圖11)，工作在稍低超導臨界電流的狀態；其吸收光子形成一個電阻態區域，通過檢測這個電阻態即可以檢測到入射光子利用低溫超導下入射光子帶來的電阻效應，具有高探測效率(~90%)、高靈敏度，低噪聲、死時間短(~5 ns)及小抖動的優點，多通道交錯排列結構的納米線陣列有望將通信速率提升至數Gbps的水平，應用潛力巨大。

圖11 超導納米線探測光子機理

4總 結

基于光學的通信技術已經在地面光纖網絡中得到成熟應用，面向空間環境的光學通信成為當前國際研究熱點。自從墨子最早記錄光的直線傳播與小孔成像以來，經過千年的沉寂，我國終于在空間量子信息技術方面引領世界，實現了多個國際首次的量子科學實驗突破，也將光的極限探測技術提升到了新的臺階。光的極限探測技術不只用于空間量子通信中的密鑰產生，還可用于直接傳輸信息，我們稱為空間光子通信技術，其在月球探測中已經得到初步驗證并將在未來更遠距離深空探測中具有重要的應用前景。光極限探測技術在空間中的應用離不開單光子探測技術的發展，同時也促進了單光子探測器的創新與技術提升，比如近年來發展迅速的超導納米線探測器陣列就受到空間光通信應用的牽引。對光極限探測及應用技術的進一步深入研究無疑能夠帶動多項交叉技術的突破，促進人類科學文化的進步。

審核編輯 ：李倩