“墨子号”实现千公里级无中继量子保密通信，即使卫星被他方控制也能确保 ...

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中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队，联合牛津大学阿图尔埃克特、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等团队，利用 " 墨子号 " 量子科学实验卫星，在国际上首次在两个地面用户之间实现千公里级无中继的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信，取得了量子通信现实应用的重要突破。
6 月 15 日，相关研究论文在线发表于国际权威学术期刊《自然》。
一种原理上无条件安全的通信方式
人类一直追求着信息安全，大约公元前 7 世纪起，古希腊斯巴达人就使用加密术来进行信息传递。但依赖于计算复杂度的经典加密算法，原理上都会被破解，以至于人们怀疑：以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码。直到量子技术的出现，为解决信息安全问题做好了准备。
量子是构成物质的最基本单元，不可分割。量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式，但需要解决两大挑战，分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。
通过国际学术界 30 余年的努力，目前现场点对点光纤量子密钥分发的安全距离达到了百公里量级。在现有技术水平下，使用可信中继可以有效拓展量子通信的距离，比如世界首条量子保密通信京沪干线通过 32 个中继节点，贯通了全长 2000 公里的城际光纤量子网络；而利用量子科学实验卫星 " 墨子号 " 作为中继，在自由空间信道进一步拓展到了 7600 公里的洲际距离。然而，中继节点的安全仍然需要得到人为保障。例如，在星地量子密钥分发过程中，量子卫星作为可信中继，掌握着用户分发的全部密钥，但如果卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。
为量子通信的商业化应用奠定了基础
实现远距离安全量子通信的最佳解决方案是基于纠缠的量子密钥分发。
量子纠缠，是由量子叠加原理引申出来的。关于量子叠加，有一个很形象的比喻：当你的女朋友叫嚷着让你离开，你不知道是该安静地离开还是上去抱紧她。如果把量子叠加原理用于多个量子的情况就是量子纠缠，它是两个（或多个）粒子共同组成的量子状态。无论处于纠缠状态的粒子之间相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会相应确定，这一特性可以用来在遥远两地的用户间直接产生密钥，而不需要可信中继来中转。由于对粒子的测量局域地发生在用户端，纠缠源不掌握密钥的任何信息，即使纠缠源（例如卫星）由不可信的他方控制，只要用户间检测到量子纠缠，就可以产生安全的密钥。这进一步提高了量子通信的现实安全性。
" 墨子号 " 在 2017 年首次实现千公里级星地量子纠缠分发后，实现远距离量子密钥分发就成为国际学术界热切期盼的目标。研究团队通过对地面望远镜主光学和后光路进行升级，实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。" 墨子号 " 过境时，同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，以每秒 2 对的速度在地面超过 1120 公里的两个站之间建立量子纠缠，进而以每秒 0.12 比特的最终码速率产生密钥。


潘建伟介绍，基于该研究成果发展起来的高效星地链路收集技术，可以将量子卫星载荷重量由现有的几百公斤降低到几十公斤以下，同时将地面接收系统的重量由现有的 10 余吨大幅降低到 100 公斤左右，实现接收系统的小型化、可搬运，为将来量子通信的规模化、商业化应用奠定了基础。
" 这一原理性的科学实验，虽然实现了从 0 到 1 的飞跃，但由于每秒只能传 0.12 比特的密钥，暂时还没有实用价值。随着量子纠缠源技术的发展，未来卫星上可每秒产生 10 亿个纠缠光子，最终密钥成码率将提高到每秒几十比特。" 潘建伟说。
王建宇介绍，" 墨子号 " 原来设计的寿命是两年，现已在轨 3 年 10 个月，性能还非常好。" 不过由于‘墨子号’是低轨卫星，有效工作时间不算多，未来可以把卫星发射到高轨去，这样一天 24 小时都可以产生密钥。"
该研究成果是现实条件下实现安全、远距离量子保密通信的重要突破。《自然》审稿人称赞这一研究工作是 " 朝向构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步 "。
栏目主编：黄海华 本文作者：黄海华 文字编辑：黄海华 题图来源：新华社 图片编辑：笪曦
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