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基于糾纏的無中繼千公里量子保密通信實驗示意圖
在實現“無條件安全”通信方面，這世界上可能很少有人比中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉更加執著——即使是超期服役的衛星，他也要“物盡其用”。
6月15日，英國《自然》雜志在線發表了一篇題為《基于糾纏的千公里級安全量子加密》的研究論文。潘建偉團隊聯合英國牛津大學教授Artur Ekert，中科院院士、中科院上海技術物理研究所研究員王建宇團隊，中科院微小衛星創新研究院，中科院光電技術研究所等相關團隊，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次實現了基于糾纏的千公里級量子密鑰分發。
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，成為量子通信向現實應用的重要突破。
“信息驛站”的安全隱患
“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。”潘建偉說。
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，而實驗室里則能達到500公里。
可要想進行更長距離的量子通信，就只能使用“信息驛站”了。利用可信的中繼，人們可以有效地拓展量子通信的距離。
例如，通過32個中繼節點相連接，世界首條量子保密通信“京滬干線”貫通了全長2000公里的城際光纖量子網絡；而利用“墨子號”作為中繼，中國科學家已經在自由空間信道實現了7600公里的洲際通信距離。
“從理論上講，量子通信線路是安全的，但這些中繼節點的安全性，還需要得到人為的保障。”潘建偉舉例說，假如人們使用量子衛星來作為中繼節點，衛星就掌握著用戶分發的全部密鑰，一旦衛星被他方控制，仍然會有信息泄露的風險。
2017年，“墨子號”圓滿實現了既定的三大科學目標——千公里級的量子糾纏分發、量子密鑰分發及量子隱形傳態后，按說可以“光榮退休”了，可潘建偉總覺得，這顆先進的科學衛星還能做更多的事。
“發一顆衛星不容易。我們想嘗試一下，如果把‘墨子號’作為糾纏源，而不是中繼點，去產生安全的密鑰，那么就有可能解決由量子通信源端不完美帶來的安全問題。”潘建偉告訴記者。
“老兵”的新任務
在潘建偉的構想中，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路徑。
2017年，“墨子號”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，就成了國際學術界熱切期盼的目標。
從理論上說，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。這樣，在遙遠兩地的用戶之間，就會產生密鑰。
由于對粒子的測量局域地發生在用戶端，糾纏源并不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源由不可信的他方提供，只要用戶間能夠檢測到量子糾纏，就仍然可以產生安全的密鑰。
不過，想讓天上的衛星干更多活，科學家需要在地面上做許多準備。基于前期的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”衛星過境時，同時與相隔1120公里的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對光子的速度在兩個站之間建立起了量子糾纏，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，我們通過對地面接收光路和單光子探測器等方面進行精心設計和防護，保證了公平采樣，所生成的密鑰不依賴可信中繼，并確保了現實安全性。”王建宇說。
“邊走邊下蛋”
《自然》雜志審稿人評論稱，該工作“展示了一項開創性實驗的結果，這是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的完成是一個里程碑”。
“最初設計‘墨子號’的時候，我們也沒想到能做這個實驗。目前這個成果也只是原理性的科學實驗，暫時還沒有實用價值。”雖然潘建偉形容自己的工作是“邊走邊下蛋”，但實際上，他已經在構思下一步棋該如何下了。
比如，基于該研究成果發展起來的高效星地鏈路收集技術，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。
結合最新發展的量子糾纏源技術，潘建偉預計，未來衛星上每秒可產生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，從而實現可以實用化的量子保密通信。
盡管還有很長的路要走，但這項研究成果仍然是現實條件下實現安全、遠距離量子保密通信的一項重要突破。正如量子密碼的提出者之一Gilles Brassard所說的那樣，“這將最終實現所有密碼學者千年來的夢想”。（記者丁佳）
中國科學報
