山水迢迢 闪送量子密钥

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图为墨子在新疆南山和青海德令哈之间分布量子纠缠。

照片由“墨子”研究小组提供

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量子密钥分配是国际学术界在量子通信领域关注的焦点。最近，中国科学家在这一领域取得了重大突破。由中国科技大学的潘建伟和他的同事彭承志、尹娟组成的联合研究小组，利用墨子量子科学实验卫星，在世界上首次实现了基于纠缠的数千公里量子密钥分发，将空与以前的地面无中继量子保密通信的距离增加了一个数量级。

记者从中国科学院获悉:近日，一个联合研究小组利用墨子量子科学实验卫星，在世界上首次实现了基于纠缠的量子密钥分配。实验结果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空距离提高了一个数量级，而且保证了即使在卫星被其他方通过物理原理控制的极端情况下也能实现保密量子通信，从而在量子通信的实际应用中取得了重大突破。

这项实验是由中国科技大学的潘剑伟和他的同事彭承志、尹娟组成的研究小组与阿图尔共同进行的？埃克特、中国科学院上海技术物理研究所王建宇团队、微卫星创新研究所、光电技术研究所等相关团队共同完成。这项成果发表在北京时间6月15日的国际学术期刊《自然》上。

扩大量子通信的距离

量子通信是利用量子力学原理操纵量子态的一种通信形式，可以有效地解决信息安全问题。

一般来说，量子通信分为两种类型，一种是量子密钥分发；另一个是量子隐形传态。

量子密钥分发通过量子态的传输，允许远方的用户无条件地共享安全密钥，并使用该密钥对信息进行严格的一次一个的加密，这是一种不能被窃听和破译的安全通信方式。

“量子密钥分发就像一个人想把一个秘密传给另一个人，而需要把秘密盒子和一把钥匙传给接收者。接收者只有用这把钥匙打开盒子才能得到这个秘密。没有这个密钥，其他人就无法打开盒子，一旦这个密钥被其他人移动，发送者将立即发现原来的密钥无效，并给出新的密钥，直到确保接收者自己得到它。”潘剑伟说道。

量子通信在原理上提供了一种无条件安全的通信模式，但要从实验室走向广泛应用，有两大挑战需要解决，即现实条件下的安全性和长距离传输。经过国际学术界30多年的努力，点对点光纤量子密钥分发的安全距离已经达到100公里左右。

那么，如何进一步有效地扩大量子通信的距离呢？在当前的技术水平下，它可以通过使用可信中继来实现。也就是说，点对点传输改为分段传输，级联采用中继技术，即把整个通信线路分成几个损耗很小的部分，然后用中继器将这些部分连接起来，这些中继器可以信任。

2017年9月29日，世界首条量子保密通信京沪干线正式开通，通过32个中继节点，已穿透总长2000公里的城际光纤量子网络；利用量子科学实验卫星Mozi作为中继，自由空之间的通道已经进一步延伸到7600公里的洲际距离。

消除信息泄露的风险

虽然可信中继将传统通信模式下整条线路的安全风险限制在有限的中继节点范围内，但中继节点的安全性仍然需要人工保证。例如，在星地量子密钥分发过程中，量子卫星作为一个可信的中继站，持有用户分发的所有密钥。如果卫星被其他方控制，就有信息泄露的风险。那么，如何杜绝信息泄露的风险呢？潘建伟认为，实现长距离安全量子通信的最佳方案是结合量子中继和基于纠缠的量子密钥分发。

基于纠缠的量子密钥分配的原理是，无论纠缠粒子相距多远，只要测量一个粒子的状态，另一个粒子的状态将相应地被确定。这个特性可以用来在遥远地方的用户之间生成密钥。

潘建伟进一步解释说:“由于粒子的测量最终是由用户进行的，纠缠源(如卫星)不知道任何关于密钥的信息。即使纠缠源由不可信方提供，只要最终在用户之间检测到量子纠缠，就可以生成安全密钥。因此，量子通信源不完善所带来的安全问题可以得到彻底解决，量子通信的实际安全性得到进一步提高。”

原则上，量子中继可以实现长距离的量子纠缠分布，但实际的量子中继仍然需要很长的时间。利用卫星作为量子纠缠源，纠缠通过自由空信道直接分布在遥远的地方，为在现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通信提供了一种可行的途径。自2017年墨子量子科学实验卫星首次实现1000公里量级的量子纠缠分布后，基于纠缠的长距离量子密钥分配成为国际学术界的预期目标。

在前期实验工作和墨子量子卫星技术积累的基础上，研究小组对地面望远镜的主光路和后光路进行了升级，通过单边加倍和双边四倍实现了接收效率的提高。

当墨子量子卫星经过时，它与新疆乌鲁木齐南山站站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，并在地面上1120公里以上的两个站之间以每秒两对的速度建立量子纠缠，然后在有限的码长下以每秒0.12比特的最终码率产生密钥。

“在实验中，我们精心设计并保护了地面检测设备，以确保公平采样和对所有已知侧通道的抗扰度。生成的密钥不能依赖可信中继，实现了检测设备的安全性。”潘剑伟说道。

结合量子纠缠源技术的最新发展，未来卫星上可以产生10亿对纠缠光子，最终的密钥编码速率将提高到每秒数十位或每次传输数万位。

迈向量子互联网的重要一步

潘剑伟说，作为量子密码术的作者之一，吉勒？布拉萨德指出，基于纠缠的密钥分配是所有密码学家的梦想，也是他的团队在实现了数千公里卫星与地球之间的双向量子纠缠分配后的努力方向。这次取得的重要成就意味着向赢得桂冠迈出了重要的一步。

潘建伟介绍:“我们将量子密钥分发的实际距离从100公里增加到1120公里，没有任何可信的中继，超过了1000公里的数量级。在我看来，更重要的是，即使卫星作为量子纠缠的来源是由别人制造的，它也是不可信的。只要我们遵循这个程序，它生成的密钥就是安全的。”

《自然》杂志的评论者称赞这项工作“展示了一项开创性实验的结果”。“这是朝着建立全球量子密钥分发网络甚至量子互联网迈出的重要一步。我真的认为不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验实现是一个里程碑”。

潘建伟表示，这一成果方案仍是实验室水平的成果，要真正实现还有很长的路要走。“为了实现长距离安全的量子通信，我们的理想解决方案是基于全球纠缠的无中继量子密钥分发网络，这也是我们在量子通信领域的最终目标。这也需要循序渐进。”潘剑伟说道。

据报道，基于该研究成果开发的高效星地链路收集技术，可以将量子卫星的有效载荷重量从未来的几百公斤降低到几十公斤，同时将地面接收系统的重量从10吨以上大幅降低到100公斤左右，实现了接收系统的小型化和便携化，为未来卫星量子通信的规模化和商业化应用奠定了坚实的基础。

人民日报(2020年6月17日，第12版)

来源：搜狐微门户