澳科学家破量子通信难题，地面发光子到卫星，全球组网添希望

2025 年 10 月，澳大利亚悉尼科技大学的物理学家团队，在国际期刊《物理评论研究》发表论文，证实从地面站向太空轨道卫星发射纠缠光子对在技术上完全可行。

这支由 Simon Devitt 教授和 Alexander Solntsev 教授牵头的研究团队，通过详细建模打破了量子卫星通信领域长期的技术共识。

此前全球主流方案均是 “卫星生成光子、向地面发送”，而他们证明的 “地面生成光子、向卫星发射” 的上行链路模式。

能克服大气湍流、背景光干扰等现实障碍，为构建高带宽全球量子网络开辟了新方向。

这一突破直接挑战了自 2016 年中国墨子号卫星开创量子空间通信以来形成的技术范式，未来可能从根本上改变量子互联网的架构设计，目前已引发国际量子通信领域的广泛关注。

为啥老方案 “不够用” 了？

在悉尼科技大学团队的新方案出现前，全球量子卫星通信一直靠 “下行链路” 撑场面，简单说就是卫星在太空中生成纠缠光子对，再把两个光子分别发给地面上的两个站点。

中国的墨子号卫星 2016 年首次实现这项技术，2017 年就完成了北京到维也纳 7600 公里的量子密钥分发实验。

2025 年济南一号微型卫星更把通信距离拓展到 12900 公里，连起了中国和南美洲的地面站，这些成果确实证明了太空量子通信能实现，但这套系统有个绕不开的 “硬伤”。

Solntsev 教授解释，下行链路用来生成加密密钥还行，毕竟这只需要少量光子，但想支撑未来的量子计算机网络就不够了。

首先卫星上的量子光源得在太空恶劣环境里稳定工作，后续维护升级难如登天，功率还受严格限制。

更关键的是带宽跟不上，未来分布式量子计算需要在不同节点间传递大量纠缠态，下行链路的光子生成量根本满足不了需求。

打个比方，下行链路就像 “小水管”，给几户人家供水没问题，但未来量子网络是 “大城市”，需要 “大管道” 才能输送足够的 “水”，而上行链路方案就是造 “大管道” 的新思路。

新方案咋突破 “不可能”？

上行链路的想法听着简单：在地面两个不同站点生成纠缠光子对，再把两个光子分别发射到同一颗卫星，让它们在太空中相遇产生量子干涉。

但过去多年，学界一直觉得这是 “异想天开”，光克服几个技术难题就像闯 “鬼门关”。

首先光子要穿越十几公里大气层，中途会被散射、吸收，其次背景光太吵，太阳光、月光反射、地球辐射都可能把微弱的量子信号盖过去。

再者卫星以每小时约 2 万公里的速度飞，两束光得精准瞄准，还得在特定时间、位置相遇，对准精度要求极高，加上大气湍流会让光束漂移、变形，同步难度又加了一层。

悉尼科技大学团队的厉害之处，就是把这些难题掰开了揉碎，证明现有或近期技术就能解决。

他们建了个超详细的数学模型，把大气传输特性、背景光光谱、自适应光学性能、探测器效率这些因素全装了进去。

最后算出：只要选对发射波长、用窄带滤波器、靠自适应光学补湍流、再搞高精度时间标记，上行链路的信号保真度完全能用到实际中。

比如在关键技术选择上，他们建议用近红外波段的单光子，这波长在大气里传得远，还能用上成熟的探测技术。

背景光靠 “时间门控 + 频率滤波” 搞定，量子信号只在极短时间窗口传输，再配合只过特定波长的滤波器，噪声能降好几个数量级。

卫星也选了距地面 500 公里的低轨道，和国际空间站高度差不多，每天能有好几次过境机会，方便地面站同步发射光子。

其实这就像 “在高速移动的火车上接球”，过去大家觉得接不住，但团队通过计算风速、火车速度、球的轨迹，找到了精准接球的方法，还证明现有工具就能做到。

新方案能搭起 “量子互联网” 吗？

Devitt 教授和团队不仅证明了上行链路可行，还画了张从 “实验室” 到 “实际应用” 的路线图，甚至勾勒出未来量子互联网的样子。

第一步先拿系留气球或高空无人机当 “临时卫星”，在几十公里距离测试基本原理。

这成本低，还能反复调整，先把大气影响摸透；第二步用立方星或小型低轨卫星做太空测试，现在小卫星发射便宜了。

而且不用装复杂的量子光源，只要带个简单的光学接收单元和探测器，风险低很多，要是测试成功，后续就能放多颗小卫星组成星座，实现全球覆盖。

更关键的是，上行链路对未来量子互联网意义重大。

现在的量子密钥分发像 “寄明信片”，信息量少，未来量子计算机联网得 “寄大包裹”，需要大量纠缠态，而上行链路正好能提供高带宽。

地面站能用大功率设备生成足够多的光子，还方便升级维护，卫星只当 “被动节点”，负责接收光子、报告结果，硬件复杂度和功耗都降了不少。

这有点像地面光纤网络的进化：早期每个中继站都要装复杂设备，后来改成 “智能边缘、简单核心”，把复杂功能放端点，中间只转发信号。

量子网络也一样，把 “重活” 放地面，太空段简化，能大幅降低建设和维护成本。

不过想建成全球量子互联网，还有不少坎要过。

比如单光子源、探测器这些核心组件还得再升级，大规模商用成本得降下来，卫星星座建设需要巨额投资，还得国际合作定标准。

更重要的是，得找到更多像量子密钥分发之外的应用场景，比如量子传感、精密测量，不然花大价钱建网络，用处不够大也不行。

结语

截至 2025 年 11 月，悉尼科技大学团队的论文已发表一个多月，国际上已有多个研究机构表示要跟进验证，部分航天公司也开始评估上行链路方案在卫星设计中的可行性。

这一突破的意义，不只是多了种量子通信的方法，更打破了技术路径的 “单一性”。

过去大家都盯着下行链路，觉得这是唯一可行的路，而上行链路的验证，相当于给量子通信领域开了 “第二赛道”，能加速技术迭代和应用落地。

未来不管是中国墨子号、济南一号的后续升级，还是其他国家的量子卫星项目，都可能借鉴上行链路的思路，甚至形成 “上下行结合” 的混合架构。

毕竟全球量子互联网不是 “一家能建成” 的，需要各国在技术上互补、在标准上协同，而上行链路方案的出现，无疑给这份 “全球合作蓝图” 添了关键一笔。