中國科學技術(shù)大學潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團隊，聯(lián)合牛津大學Artur Ekert、中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇團隊、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團隊，利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。
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(shù)量級，并且通過物理原理確保了即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下依然能實現(xiàn)安全的量子通信，取得了量子通信現(xiàn)實應(yīng)用的重要突破。6月15日，研究團隊在國際著名學術(shù)期刊《自然》雜志上在線發(fā)表了題為“基于糾纏的千公里級安全量子加密（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）”的研究論文。《自然》雜志為此專門發(fā)布了題為“基于衛(wèi)星的遠距離安全通信（Quantum physics: Long-range satellite-based secure communications）”的新聞稿（Press release）加以推介。
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(yīng)用，需要解決兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。通過國際學術(shù)界30余年的努力，目前現(xiàn)場點對點光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達到了百公里量級。
在現(xiàn)有技術(shù)水平下，使用可信中繼可以有效拓展量子通信的距離，比如世界首條量子保密通信京滬干線通過32個中繼節(jié)點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡(luò)；而利用量子科學實驗衛(wèi)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。
然而，盡管可信中繼將傳統(tǒng)通信方式中整條線路的安全風險限制在有限個中繼節(jié)點范圍，中繼節(jié)點的安全仍然需要得到人為保障。例如，在星地量子密鑰分發(fā)過程中，量子衛(wèi)星作為可信中繼，掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰，如果衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄漏的風險。
實現(xiàn)遠距離安全量子通信的最佳解決方案是結(jié)合量子中繼和基于糾纏的量子密鑰分發(fā)?；诩m纏的量子密鑰分發(fā)的原理是，無論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態(tài)，另一個粒子的狀態(tài)也會相應(yīng)確定，這一特性可以用來在遙遠兩地的用戶間產(chǎn)生密鑰。
由于對粒子的測量局域地發(fā)生在用戶端，糾纏源不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源（例如衛(wèi)星）由不可信的他方提供，只要用戶間檢測到量子糾纏，就可以產(chǎn)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(xiàn)實安全性。原理上，利用量子中繼可以實現(xiàn)遠距離的量子糾纏分發(fā)，但實用化的量子中繼還需要較長時間。
利用衛(wèi)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(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術(shù)條件下實現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。特別是“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在2017年首次實現(xiàn)千公里量級的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實現(xiàn)基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)就成為國際學術(shù)界熱切期盼的目標。
基于“墨子號”量子衛(wèi)星的前期實驗工作和技術(shù)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(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號”量子衛(wèi)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(chǎn)生密鑰。在實驗中，通過對地面接收光路和單光子探測器等方面進行精心設(shè)計和防護，保證了公平采樣和對所有已知側(cè)信道的免疫，所生成的密鑰不依賴可信中繼、并確保了現(xiàn)實安全性。結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來衛(wèi)星上可每秒產(chǎn)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。
《自然》雜志審稿人稱贊該工作“展示了一項開創(chuàng)性實驗的結(jié)果（present the results of a groundbreaking experiment）；” “這是朝向構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步（This is a significant step toward establishing a global network for QKD, and more generally, a quantum Internet for quantum communication）；”“我的確認為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實驗實現(xiàn)是一個里程碑（I do agree that the actual implementation of a long-distance entanglement-based QKD protocol not relying on trusted nodes is a milestone）?！?/p>
該研究成果是現(xiàn)實條件下實現(xiàn)安全、遠距離量子保密通信的重要突破，如同沃爾夫物理學獎獲得者、量子密碼的提出者之一Gilles Brassard所指出的，“這將最終實現(xiàn)所有密碼學者千年來的夢想（This would achieve the holy Grail that all cryptographers have been dreaming of for thousands of years）?！?/p>
基于該研究成果發(fā)展起來的高效星地鏈路收集技術(shù)，可以將量子衛(wèi)星載荷重量由現(xiàn)有的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時將地面接收系統(tǒng)的重量由現(xiàn)有的10余噸大幅降低到100公斤左右，實現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運，為將來衛(wèi)星量子通信的規(guī)?；⑸虡I(yè)化應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。
“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星是中科院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項之一。迄今，“墨子號”研究團隊已在《自然》及《科學》雜志發(fā)表了5篇研究論文，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術(shù)基礎(chǔ)。
該研究工作得到了中科院、國家自然科學基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。
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