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基于糾纏的無(wú)中繼千公里量子保密通信實(shí)驗(yàn)示意圖
在實(shí)現(xiàn)“無(wú)條件安全”通信方面，這世界上可能很少有人比中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉更加執(zhí)著——即使是超期服役的衛(wèi)星，他也要“物盡其用”。
6月15日，英國(guó)《自然》雜志在線發(fā)表了一篇題為《基于糾纏的千公里級(jí)安全量子加密》的研究論文。潘建偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)牛津大學(xué)教授Artur Ekert，中科院院士、中科院上海技術(shù)物理研究所研究員王建宇團(tuán)隊(duì)，中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，中科院光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊(duì)，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于糾纏的千公里級(jí)量子密鑰分發(fā)。
該實(shí)驗(yàn)成果不僅將以往地面無(wú)中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且通過(guò)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(shí)現(xiàn)安全的量子通信，成為量子通信向現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(wú)條件安全的通信方式，但要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用需要解決兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實(shí)條件下的安全性問(wèn)題和遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題。”潘建偉說(shuō)。
通過(guò)國(guó)際學(xué)術(shù)界30余年的努力，目前現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達(dá)到了百公里量級(jí)，而實(shí)驗(yàn)室里則能達(dá)到500公里。
可要想進(jìn)行更長(zhǎng)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(guò)32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)相連接，世界首條量子保密通信“京滬干線”貫通了全長(zhǎng)2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡(luò)；而利用“墨子號(hào)”作為中繼，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)在自由空間信道實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)的安全性，還需要得到人為的保障。”潘建偉舉例說(shuō)，假如人們使用量子衛(wèi)星來(lái)作為中繼節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星就掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰，一旦衛(wèi)星被他方控制，仍然會(huì)有信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。
2017年，“墨子號(hào)”圓滿實(shí)現(xiàn)了既定的三大科學(xué)目標(biāo)——千公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)及量子隱形傳態(tài)后，按說(shuō)可以“光榮退休”了，可潘建偉總覺(jué)得，這顆先進(jìn)的科學(xué)衛(wèi)星還能做更多的事。
“發(fā)一顆衛(wèi)星不容易。我們想嘗試一下，如果把‘墨子號(hào)’作為糾纏源，而不是中繼點(diǎn)，去產(chǎn)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(lái)的安全問(wèn)題。”潘建偉告訴記者。
“老兵”的新任務(wù)
在潘建偉的構(gòu)想中，利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過(guò)自由空間信道在遙遠(yuǎn)兩地直接分發(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的路徑。
2017年，“墨子號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)，就成了國(guó)際學(xué)術(shù)界熱切期盼的目標(biāo)。
從理論上說(shuō)，基于糾纏的量子密鑰分發(fā)的原理是，無(wú)論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要測(cè)量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)確定。這樣，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶之間，就會(huì)產(chǎn)生密鑰。
由于對(duì)粒子的測(cè)量局域地發(fā)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(cè)到量子糾纏，就仍然可以產(chǎn)生安全的密鑰。
不過(guò)，想讓天上的衛(wèi)星干更多活，科學(xué)家需要在地面上做許多準(zhǔn)備。基于前期的實(shí)驗(yàn)工作和技術(shù)積累，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)和后光路進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。
“墨子號(hào)”衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，同時(shí)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(gè)地面站建立光鏈路，以每秒2對(duì)光子的速度在兩個(gè)站之間建立起了量子糾纏，進(jìn)而在有限碼長(zhǎng)下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。
“在實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)對(duì)地面接收光路和單光子探測(cè)器等方面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和防護(hù)，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(xiàn)實(shí)安全性。”王建宇說(shuō)。
“邊走邊下蛋”
《自然》雜志審稿人評(píng)論稱，該工作“展示了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這是構(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。我認(rèn)為，不依賴可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗(yàn)的完成是一個(gè)里程碑”。
“最初設(shè)計(jì)‘墨子號(hào)’的時(shí)候，我們也沒(méi)想到能做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。目前這個(gè)成果也只是原理性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，暫時(shí)還沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。”雖然潘建偉形容自己的工作是“邊走邊下蛋”，但實(shí)際上，他已經(jīng)在構(gòu)思下一步棋該如何下了。
比如，基于該研究成果發(fā)展起來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運(yùn)，為將來(lái)衛(wèi)星量子通信的規(guī)?；?、商業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，潘建偉預(yù)計(jì)，未來(lái)衛(wèi)星上每秒可產(chǎn)生10億對(duì)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(guò)境幾萬(wàn)比特，從而實(shí)現(xiàn)可以實(shí)用化的量子保密通信。
盡管還有很長(zhǎng)的路要走，但這項(xiàng)研究成果仍然是現(xiàn)實(shí)條件下實(shí)現(xiàn)安全、遠(yuǎn)距離量子保密通信的一項(xiàng)重要突破。正如量子密碼的提出者之一Gilles Brassard所說(shuō)的那樣，“這將最終實(shí)現(xiàn)所有密碼學(xué)者千年來(lái)的夢(mèng)想”。（記者丁佳）
中國(guó)科學(xué)報(bào)
