量子衛星通訊的逆轉：從地球到太空的量子網路之路

「在未來，量子糾纏將會像電力一樣…一種我們談論的商品，它能為其他事物提供動力…將會有量子設備插入糾纏源以及電源，利用兩者來做一些有用的事情。」—— Professor Devitt

本文將深入探討量子衛星通訊領域的一項重大突破：從傳統的「下行鏈路」（太空到地球）轉向「上行鏈路」（地球到太空）的可能性。這項研究不僅挑戰了先前的技術限制，更為構建全球量子網路奠定了基礎。

量子衛星通訊的典範轉移：從下行到上行


傳統量子衛星通訊主要仰賴從太空向地球發送糾纏粒子，也就是所謂的「下行鏈路」。然而，最新的研究表明，將量子訊號從地球發送到衛星（「上行鏈路」）在技術上是可行的。過去，這種方法被認為不切實際，但現在看來，它反而可能成為未來量子網路的關鍵。

長期以來，下行鏈路之所以受到青睞，是因為它更適合量子密碼學，只需要少量光子就能產生密鑰。然而，上行鏈路面臨著嚴峻的挑戰，例如訊號在穿透大氣層時的衰減、干擾和散射。

---

上行鏈路的優勢：地面基礎設施的力量

---

儘管存在挑戰，上行鏈路卻擁有多項顯著優勢。其中最重要的一點是，地面站可以利用比衛星更強大的功率。

這意味著可以產生更強的訊號，對於建立連接量子電腦所需的高頻寬連結至關重要。

此外，地面設備更容易維護和升級，這也降低了整體成本。上行鏈路方法還能簡化衛星設計，僅需一個用於光子干涉偵測的緊湊型光學單元。試想一下，過去為了將大型儀器搬上太空所耗費的成本與時間，現在都能透過地面設備的升級來解決，這無疑是一大進展。

建模驗證可行性：克服大氣層的挑戰


研究人員進行了廣泛的建模，考量了現實世界的各種因素，例如背景光、大氣效應和光學系統的不完美性，以證明透過上行鏈路衛星通道進行量子糾纏分配的可行性。

這項研究成功地模擬了從兩個獨立的地面站向距離地球500公里的衛星發射兩個單光粒子的情境，

克服了先前認為上行鏈路不可能實現的障礙。這就好比在狂風暴雨中試圖用雷射筆照亮遠方的目標，需要精密的計算和技術才能克服環境的干擾。

---

通往量子網路的墊腳石：無人機與氣球的測試平台

---

為了驗證建模結果並加速技術發展，研究人員建議使用無人機或氣球搭載接收器，作為上行鏈路量子通訊的近期測試平台。這將為構建可擴展的量子網路鋪平道路，該網路可以使用低地球軌道上的小型衛星連接各國和各大洲。

這種分階段的測試方法不僅能降低風險，還能逐步驗證技術的可行性。試想一下，如果我們能先在近地環境中建立穩定的量子連結，那麼未來在更廣闊的範圍內實現量子網路也將指日可待。

高頻寬的需求：量子電腦互聯的關鍵


與目前僅需少量光子的量子密碼學應用不同，連接量子電腦的量子網路需要顯著更多的光子和頻寬。上行鏈路策略被視為提供這種必要頻寬的潛在解決方案。

量子密碼學側重於安全密鑰分發，而量子電腦則需要高頻寬連結來進行數據傳輸和處理。上行鏈路方法透過不那麼複雜和昂貴的衛星硬體克服了地面上的損耗，為量子電腦的互聯互通提供了新的可能性。

---

量子糾纏的未來：一種隨手可得的資源

---

長遠來看，量子糾纏將成為一種隨手可得的資源，就像電力一樣，為各種量子應用提供動力，且對使用者而言是無縫且隱形的。

量子糾纏將作為一種服務來產生和傳輸，使用者可以將量子設備插入糾纏源，並利用糾纏來解決複雜問題或開發新技術。這就如同我們現在使用雲端服務一樣，不需要了解背後的複雜技術，就能輕鬆地使用各種應用。

---

跨領域合作的力量：UTS的案例

---

此研究專案展示了跨領域合作的力量，結合了雪梨科技大學（UTS）工程與資訊科技學院以及科學院在量子網路、系統建模和光子學方面的專業知識，以應對複雜的技術挑戰。

跨領域合作能夠激發創新解決方案，而UTS正處於新興技術研究的前沿。這提醒我們，解決複雜的科學問題往往需要不同領域的專家共同努力，才能取得突破性的進展。

---

University of Technology Sydney. (2025, December 17). Scientists prove
“impossible” Earth-to-space quantum link is feasible. ScienceDaily. Retrieved
December 17, 2025 from www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251217082515.htm\n—\n Story Source:
Materials provided by University of Technology Sydney. Note: Content may be edited for style and length.