實驗示意圖

在實現(xiàn)“無條件安全”的通信方面，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(zhí)著了——即使是超期服役的衛(wèi)星，他也要“吃干榨凈”。

6月15日，英國《自然》雜志在線發(fā)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(lián)合牛津大學教授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(wèi)星創(chuàng)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(wèi)星，在國際上首次實現(xiàn)了基于糾纏的千公里級量子密鑰分發(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，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，依然能實現(xiàn)安全的量子通信，實現(xiàn)了量子通信向現(xiàn)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(zhàn)，分別是現(xiàn)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(xiàn)場點對點光纖量子密鑰分發(fā)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，就只能只用“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(jié)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(wǎng)絡；而利用“墨子號”作為中繼，中國科學家已經(jīng)在在自由空間信道實現(xiàn)了7600公里的洲際通信距離。

“從理論上講，量子通信線路上是安全的，可是，這些中繼節(jié)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(wèi)星來作為中繼節(jié)點，衛(wèi)星就掌握著用戶分發(fā)的全部秘鑰，一旦衛(wèi)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(xiàn)了既定的三大科學目標——千公里級的量子糾纏分發(fā)、量子秘鑰分發(fā)及量子隱形傳態(tài)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(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’作為糾纏源，而不是中繼點，去產(chǎn)生安全的密鑰，那么就有完全解決量子通信源端的不完美帶來的安全問題。”潘建偉告訴《中國科學報》記者。

“老兵”的新任務

在潘建偉的構想中，利用衛(wèi)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(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術條件下實現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。

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)后，實現(xiàn)基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)，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(fā)的原理是無論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠，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，這樣，在遙遠兩地的用戶之間，就會產(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(chǎn)生安全的密鑰。

不過，想讓天上的衛(wèi)星干更多活，科學家需要在地面上做許多準備�；�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(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。

“墨子號”衛(wèi)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(chǎn)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，保證了公平采樣和對所有已知側信道的免疫，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(chuàng)性實驗的結果，這是朝向構建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步，我的確認為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實驗實現(xiàn)是一個里程碑。”

“最初設計‘墨子號’的時候，我們也沒敢想能做這個實驗。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(jīng)在構思下一步棋該如何下了。

比如，基于該研究成果發(fā)展起來的高效星地鏈路收集技術，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，實現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運，為將來衛(wèi)星量子通信的規(guī)�；�、商業(yè)化應用奠定堅實的基礎。

結合最新發(fā)展的量子糾纏源技術，潘建偉預計，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，從而實現(xiàn)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(xiàn)實條件下實現(xiàn)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(xiàn)所有密碼學者千年來的夢想”。
     論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y