中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇等相關(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，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志在線發(fā)表了這一研究成果。
潘建偉表示，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)?；?、商業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
“實(shí)現(xiàn)信息安全，是人類的夢想。而所有依賴于計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法原理上都會被破解?！迸私▊ケ硎荆孔油ㄐ盘峁┝艘环N原理上安全的通信方式，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。
量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離增加而增加。潘建偉說，由于信號損耗，使用光纖分發(fā)量子密鑰有一個(gè)距離的上限，通過國際學(xué)術(shù)界30余年的努力，目前將現(xiàn)場點(diǎn)對點(diǎn)分發(fā)量子密鑰的安全距離提高到了百公里量級。
要實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā)，一個(gè)可行的方案是使用可信中繼。可信中繼可理解為“接力跑”。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)。
不過，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)限制在有限的中繼節(jié)點(diǎn)范圍，但中繼節(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，可如果衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄露風(fēng)險(xiǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)通過對地面望遠(yuǎn)鏡升級，在“墨子號”量子衛(wèi)星過境時(shí)，使其同時(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，衛(wèi)星作為糾纏源，只負(fù)責(zé)分發(fā)糾纏，不掌握密鑰的任何信息；而用戶間的密鑰是通過糾纏直接產(chǎn)生的，不再需要衛(wèi)星中轉(zhuǎn)。
《自然》雜志審稿人稱贊該工作是邁向構(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。在潘建偉看來，這一最新研究將無中繼的量子密鑰分發(fā)距離首次突破1000公里，是一大重要突破；更重要的意義在于，即使衛(wèi)星被他方控制也能夠產(chǎn)生安全的密鑰。
據(jù)了解，“墨子號”研究團(tuán)隊(duì)迄今已在《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)。
