近日，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星再立新功：科學家們利用“墨子號”作為量子糾纏源，向遙遠的兩地分發(fā)量子糾纏，在國際上首次實現(xiàn)了千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)——為量子通信走向現(xiàn)實應用奠定了重要基礎。

近日，科學家們利用“墨子號”在國際上首次實現(xiàn)了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，更重要的是，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，依然能夠實現(xiàn)安全的量子通信，為量子通信走向現(xiàn)實應用奠定了重要基礎。

該實驗由中國科學技術大學潘建偉及其同事，聯(lián)合牛津大學阿圖爾·埃克特、中國科學院上海技術物理研究所王建宇團隊、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術研究所等相關團隊一起完成。該成果已于近日在線發(fā)表在國際頂級學術期刊《自然》雜志上。

無條件安全的量子通信

量子是構成物質的最基本單元，是能量的基本攜帶者，無法被分割和復制。對于人們來說，所有大家所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都統(tǒng)稱為量子。通常，光子被用來制備量子。

所謂量子密鑰分發(fā)，簡單說，即在遙遠兩地的用戶間生成并安全共享一組量子密鑰，為所傳輸?shù)亩M制信息加密。這種量子通信方式之所以被科學家們寄予厚望，是因為除了信息的發(fā)送、接收方，如果有第三方試圖復制或竊聽量子密鑰，則通信的雙方便會立刻察覺。

這一新型通信方式的實現(xiàn)，正是基于量子疊加和不可復制的特性。根據(jù)經(jīng)典物理學，一個客體，比如貓，其狀態(tài)只有兩種，要么是生，要么是死。但在量子世界中，這只貓卻可以處于又生又死的疊加狀態(tài)。不過，這種疊加態(tài)極其脆弱，一旦有人去測量，其狀態(tài)（又生又死）馬上就會發(fā)生改變，而不再是原來的那只貓了。換句話說，如果有人試圖竊聽量子密鑰，需要事先測量傳送密鑰的量子狀態(tài)，然而，脆弱的疊加態(tài)導致量子自身一旦被測量或者復制，就會立刻改變原有狀態(tài)，從而被通信雙方察覺。

“量子通信克服了經(jīng)典加密技術內在的安全隱患，因為其安全性不依賴于計算復雜度，這是在原理上無條件安全的一種通信方式，一旦存在竊聽必然被發(fā)現(xiàn)。”潘建偉說。

在潘建偉看來，量子密鑰分發(fā)，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與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，而一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者就會立刻發(fā)現(xiàn)——原有鑰匙會作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。

“量子技術，其基本概念就是利用量子物理定律操縱微觀物質，比如原子、分子和電子，從而獲得宏觀物質世界無法實現(xiàn)的功能，其中的量子密碼學正是這篇論文所涉及的關鍵。理論上，經(jīng)過量子加密的通信是無法被竊聽的。”自然集團副總裁楊曉虹表示。

實際應用面臨挑戰(zhàn)

理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。原理上無條件安全的量子通信，要從實驗室走向廣泛應用，仍面臨兩大挑戰(zhàn)：一是遠距離傳輸帶來的信號損耗；二是現(xiàn)實器件，如光源、探測器等不完美帶來的安全性漏洞。因此，要在現(xiàn)實條件下實現(xiàn)遠距離的量子通信，并非聽起來那么簡單。

以信號損耗為例。科學家們一般使用單光子作為物理載體來傳輸密鑰，但因為單光子信號不能被放大，再加上傳輸信道——光纖對單光子的吸收，隨著傳輸距離的拉長，單光子信號損耗呈指數(shù)增長。通過30余年堅持不懈的努力，如今，國際學術界在實驗室中將點對點光纖量子密鑰分發(fā)的距離提高到了500公里。

如何實現(xiàn)更遠距離的量子通信？使用可信中繼是一個行之有效的方法。什么是可信中繼？潘建偉認為可以理解為“接力跑”：單光子在光纖中從a地要跑到b地，可跑著跑著沒力氣了，這時就可以設置個值得信賴的節(jié)點讓密鑰“落地”一下，再由其他光子接著向前跑。比如，利用“墨子號”作為中繼，中國科學家在自由空間信道實現(xiàn)了7600公里的洲際通信。

“理論上講，只要沒有人爬到衛(wèi)星上去竊聽，那么，我們的通信就是安全的。但是，這些中繼節(jié)點的安全仍然需要得到人為保障。”潘建偉舉了個例子：如果人們使用衛(wèi)星作為中繼節(jié)點，衛(wèi)星就掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰。如此一來，便帶來了另外一個問題：假如這個衛(wèi)星是別國制造的，就可能會存在信息泄露的風險。

那么，如何避免這一可能存在的潛在風險？2017年，“墨子號”首次實現(xiàn)千公里量級的自由空間量子糾纏分發(fā)，圓滿完成了既定科學目標。此時，潘建偉萌生了一個新的想法：發(fā)射一顆衛(wèi)星花了不少經(jīng)費，可不可以嘗試一下利用“墨子號”作為量子糾纏源，而不是量子密鑰的中繼點，實現(xiàn)基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)？

基于糾纏的量子密鑰分發(fā)的原理是，無論處于糾纏狀態(tài)的兩個粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態(tài)，另一個粒子的狀態(tài)也會相應確定。“利用這一特性，我們可以在遙遠兩地的用戶間直接生成并安全共享一組量子密鑰，為所傳輸?shù)亩M制信息加密。”潘建偉表示。

實現(xiàn)安全通信重要一步

向著科學的高峰努力奔跑，基于“墨子號”量子衛(wèi)星的前期實驗工作與技術積累，研究團隊通過對地面望遠鏡主光學與后光路進行升級，實現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。

有了技術的支撐，“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對光子的速度在地面超過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。

“在該實驗中，衛(wèi)星作為量子糾纏源，只負責分發(fā)量子糾纏，不掌握量子密鑰的任何信息；用戶間的密鑰是通過量子糾纏直接產(chǎn)生的，不再需要衛(wèi)星的中轉。”潘建偉說，由于對糾纏粒子的測量最后是由用戶端來進行，根據(jù)量子糾纏特性，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(chǎn)生安全的密鑰。所以，量子通信源端不完美帶來的安全問題可以得到完全解決，最終確保了量子通信的現(xiàn)實安全性。

對此，《自然》雜志審稿人稱贊該工作，“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。”潘建偉坦言，剛發(fā)射“墨子號”衛(wèi)星時，自己也不敢幻想能取得今天的成果，一路“邊走邊下蛋”，最終有了這一重要科研突破。“然而，這次科研成果目前只是科學上的原理演示，距離實際應用仍有很長的路要走。”潘建偉說。

關于下一步的發(fā)展，他說，結合最新發(fā)展的量子糾纏源技術，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。屆時，安全的量子通信的夢想將有望照進現(xiàn)實。
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