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。
《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。
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