太空量子上行鏈路不可實現？模型證明量子訊號可反向從地球傳到衛星

量子衛星是量子通訊競爭核心之一，目標透過衛星建立絕對安全的全球通訊網路。當前技術已能將糾纏光粒子從衛星發送到不同地面站，但從地球向上傳輸糾纏光子到衛星面臨訊號易丟失、干擾和散射困境，過去被認為無法實現。

現在，雪梨科技大學（UTS）團隊證實量子訊號從地球反向發送至太空的可行性，有望打開更強大量子通訊網路。

量子衛星顧名思義是搭載量子設備的人造衛星，用於實現地面與衛星、衛星與衛星之間的量子金鑰分發（QKD）等安全通訊，利用量子糾纏、不可複製原理、測量塌縮等特性，保障資訊傳遞過程絕對無法破解，任何嘗試攔截的動作都會被發現。

2016 年中國發射墨子號量子衛星，成功實現星地與洲際間的量子金鑰分發、量子遙傳（quantum teleportation）技術，搶先全球踏進太空量子通訊領域；2025 年，濟南一號量子衛星成功對中國、南非地面站完成跨越 12,900 公里的量子密鑰分發，進一步推動該領域技術成熟度。

這些太空量子通訊實驗都以「下行鏈路」為主，衛星先在太空產生糾纏光子對，然後將糾纏光子從太空分別發送至地球兩處。

量子訊號上行鏈路技術更困難，但具戰略性優勢

我們可能認為反之亦行，但實際上，從地面產生糾纏光子對，並將其中一個光子向上傳輸至衛星的「上行鏈路」難度更大，科學家得從地面站朝離地 500 公里高、時速 20,000 公里的衛星發射單光子使它們完美相遇，途中粒子還得承受大氣散射丟失訊號的考驗，想想都覺得不可能。

令人驚訝的是，雪梨科技大學（UTS）團隊新模型在考量現實層面影響（地球背景光、來自月球的反射陽光、大氣湍流擾動等）後，仍表明量子訊號上行鏈路可以實現。

上行鏈路優勢在於構建廣泛覆蓋的量子網路，地面站只需在量子衛星飛越上空時將量子訊號發送上去，量子衛星配備一個緊湊型光學系統干擾上傳光子並報告結果即可，衛星就像太空「郵箱」，負責接收來自各地的「量子郵件」，能同時服務多個地面站。

此外，將產生糾纏光子的高功耗複雜設備留在地面維護升級才是工程明智之舉，衛星一旦發射升天，攜帶的核心技術通常就鎖定，難以升級或維修。

雖然量子上行鏈路離實際驗證還有很長的路要走，但至少我們只知雙向量子傳輸理論上可行，團隊表示，可利用無人機或科學氣球接收器測試上行鏈路概念，為未來小型量子衛星達成跨洲際量子網路的技術打開大門。

新論文發表在《Physical Review Research》。

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（首圖來源：AI 生成）