圖為“墨子號”在新疆南山和青海德令哈兩個地面站間分發量子糾纏示意圖。“墨子號”科研團隊供圖
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量子密鑰分發是量子通信領域國際學術界的關注焦點。日前，我國科學家在該領域取得重大突破。中科大潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的聯合研究團隊，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子密鑰分發，將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數量級。
記者從中科院獲悉：日前，一支聯合研究團隊利用“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子密鑰分發。該實驗成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數量級，并且通過物理原理確保了即使在衛星被他方控制的極端情況下依然能實現安全的量子通信，取得了量子通信現實應用的重要突破。
該實驗由中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團隊，聯合牛津大學阿圖爾·埃克特、中科院上海技術物理研究所王建宇團隊、微小衛星創新研究院、光電技術研究所等相關團隊一起完成。該成果于北京時間6月15日在線發表在國際學術期刊《自然》雜志上。
拓展量子通信的距離
量子通信是利用量子力學原理對量子態進行操控的一種通信形式，能夠有效解決信息安全問題。
通常講，量子通信分為兩種，一種是量子密鑰分發；另一種是量子隱形傳態。
量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，是不可竊聽、不可破譯的安全通信方式。
“量子密鑰分發，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發現，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。”潘建偉說。
量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式，但要從實驗室走向廣泛應用，還需要解決兩大挑戰，分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。通過國際學術界30余年的努力，目前現場點對點光纖量子密鑰分發的安全距離達到了百公里量級。
那么，如何再進一步有效拓展量子通信的距離？在現有技術水平下，使用可信中繼能夠做到。也就是說將點對點傳輸改為分段傳輸，并采用中繼技術進行級聯，即將整個通信線路分幾段，每段損耗都較小，再通過中繼器將這幾段連接起來，并且這些中繼器是可被信任的。
于2017年9月29日正式開通的世界首條量子保密通信京滬干線就是通過32個中繼節點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網絡；而利用量子科學實驗衛星“墨子號”作為中繼，在自由空間信道進一步拓展到了7600公里的洲際距離。
杜絕信息泄露的風險
盡管可信中繼將傳統通信方式中整條線路的安全風險限制在有限個中繼節點范圍，中繼節點的安全仍然需要人為保障。例如，在星地量子密鑰分發過程中，量子衛星作為可信中繼，掌握著用戶分發的全部密鑰，如果衛星被他方控制，就存在信息泄露的風險。那么，怎樣杜絕這種信息泄露的風險？潘建偉認為，實現遠距離安全量子通信的最佳解決方案是結合量子中繼和基于糾纏的量子密鑰分發。
基于糾纏的量子密鑰分發的原理是，無論處于糾纏狀態的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態也會相應確定，這一特性可以用來在遙遠兩地的用戶間產生密鑰。
潘建偉進一步解釋：“由于對粒子的測量最后是由用戶端來進行，所以糾纏源（例如衛星）不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源由不可信的他方提供，只要用戶間最終檢測到量子糾纏，就可以產生安全的密鑰。因此，量子通信源端不完美帶來的安全問題可以得到完全解決，進一步提高了量子通信的現實安全性。”
原理上，利用量子中繼可以實現遠距離的量子糾纏分發，但實用化的量子中繼還需要較長時間。利用衛星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發糾纏，為現有技術條件下實現基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。“墨子號”量子科學實驗衛星在2017年首次實現千公里量級的自由空間量子糾纏分發后，實現基于糾纏的遠距離量子密鑰分發就成為國際學術界期盼的目標。
基于“墨子號”量子衛星的前期實驗工作和技術積累，研究團隊通過對地面望遠鏡主光學和后光路進行升級，實現了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。
“墨子號”量子衛星過境時，同時與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路，以每秒2對的速度在地面超過1120公里的兩個站之間建立量子糾纏，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。
“在實驗中，我們通過對地面探測裝置進行精心設計和防護，保證了公平采樣和對所有已知側信道的免疫，所生成的密鑰可不依賴可信中繼，并實現了探測設備的安全性。”潘建偉說。
結合最新發展的量子糾纏源技術，未來衛星上可每秒產生10億對糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特。
邁向量子互聯網的重要一步
潘建偉說，如同量子密碼的提出者之一吉列斯·布拉薩德所指出的，基于糾纏的密鑰分發是所有密碼學家的夢想，也是其團隊在繼實現千公里級星地雙向量子糾纏分發后努力的方向，此次取得的重要成果意味著朝向摘奪桂冠邁出了重要一步。
潘建偉介紹：“我們在不需要任何可信中繼的情況下，把量子密鑰分發的實際距離從之前的100公里提高到了1120公里，突破1000公里量級。在我看來更加重要的是，即使作為量子糾纏源的衛星，是由別人制造的，是不可信的，只要按照我們這個程序來做，它產生的密鑰也是安全的。”
《自然》雜志審稿人稱贊該工作“展示了一項開創性實驗的結果”“這是朝向構建全球化量子密鑰分發網絡甚至量子互聯網的重要一步，我的確認為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發協議的實驗實現是一個里程碑”。
潘建偉表示，此次成果方案還屬于實驗室級別的成果，離真正實用化還有很長的路要走。“實現遠距離安全量子通信，我們最理想的解決方案是全球化的基于糾纏的無中繼量子密鑰分發網絡，也是我們在量子通信領域的最終目標，這還需要階段性地一步一步往前走。”潘建偉說。
據悉，基于該研究成果發展起來的高效星地鏈路收集技術，未來可以將量子衛星載荷重量由現有的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時將地面接收系統的重量由現有的10余噸大幅降低到100公斤左右，實現接收系統的小型化、可搬運，為將來衛星量子通信的規模化、商業化應用奠定堅實的基礎。
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