中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團(tuán)隊(duì),聯(lián)合牛津大學(xué)Artur Ekert、中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇團(tuán)隊(duì)、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊(duì),利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。

該實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)現(xiàn)安全的量子通信,取得了量子通信現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要突破。6月15日,研究團(tuán)隊(duì)在國際著名學(xué)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?!蹲匀弧冯s志為此專門發(fā)布了題為“基于衛(wèi)星的遠(yuǎn)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(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)條件下的安全性問題和遠(yuǎn)距離傳輸問題。通過國際學(xué)術(shù)界30余年的努力,目前現(xiàn)場點(diǎn)對點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達(dá)到了百公里量級。

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(gè)中繼節(jié)點(diǎn),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(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”作為中繼,在自由空間信道進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)限制在有限個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)范圍,中繼節(jié)點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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)。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)的粒子之間相隔多遠(yuǎn),只要測量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài),另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會相應(yīng)確定,這一特性可以用來在遙遠(yuǎn)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(jìn)一步提高了量子通信的現(xiàn)實(shí)安全性。原理上,利用量子中繼可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā),但實(shí)用化的量子中繼還需要較長時(shí)間。

利用衛(wèi)星作為量子糾纏源,通過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道路。特別是“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在2017年首次實(shí)現(xiàn)千公里量級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)就成為國際學(xué)術(shù)界熱切期盼的目標(biāo)。

基于“墨子號”量子衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作和技術(shù)積累,研究團(tuán)隊(duì)通過對地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)和后光路進(jìn)行升級,實(shí)現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升?!澳犹枴绷孔有l(wèi)星過境時(shí),同時(shí)與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對的速度在地面超過1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏,進(jìn)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(shí)驗(yàn)中,通過對地面接收光路和單光子探測器等方面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和防護(hù),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(shí)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。

中科大潘建偉《Nature》:“墨子號”實(shí)現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里量子保密通信
實(shí)驗(yàn)示意圖

《自然》雜志審稿人稱贊該工作“展示了一項(xiàng)開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)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(shí)條件下實(shí)現(xiàn)安全、遠(yuǎn)距離量子保密通信的重要突破,如同沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、量子密碼的提出者之一Gilles Brassard所指出的,“這將最終實(shí)現(xiàn)所有密碼學(xué)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(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),為將來衛(wèi)星量子通信的規(guī)?;⑸虡I(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)之一。迄今,“墨子號”研究團(tuán)隊(duì)已在《自然》及《科學(xué)》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(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

該研究工作得到了中科院、國家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y

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