遠(yuǎn)距離安全量子通信再獲突破!

來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國(guó)內(nèi)外單位的研究團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)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(wú)中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且通過(guò)物理原理確保即使在衛(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。相關(guān)研究成果6月15日在線發(fā)表于《自然》雜志上。

量子通信提供了一種原理上無(wú)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(wèn)題和遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題。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，比如利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星作為中繼，在自由空間信道可以拓展到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)限制在有限的中繼節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，中繼節(jié)點(diǎn)的安全仍然需要得到人為保障。”中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉說(shuō)。

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(wú)論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要測(cè)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(huì)相應(yīng)確定，這一特性可以用來(lái)在遙遠(yuǎn)兩地的用戶(hù)間產(chǎn)生密鑰。

利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過(guò)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。

基于“墨子號(hào)”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(guò)對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)和后光路系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，可以同時(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，以每秒兩對(duì)的速度在地面超過(guò)1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，進(jìn)而在有限碼長(zhǎng)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(guò)對(duì)地面接收光路和單光子探測(cè)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(duì)所有已知側(cè)信道的免疫，所生成的密鑰不依賴(lài)可信中繼，并確保了現(xiàn)實(shí)安全性。”潘建偉說(shuō)，結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來(lái)衛(wèi)星上可每秒產(chǎn)生10億個(gè)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(guò)境幾萬(wàn)比特。

對(duì)此，《自然》雜志審稿人稱(chēng)贊道，“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。”“我的確認(rèn)為不依賴(lài)可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑。”

潘建偉表示，基于該研究成果發(fā)展起來(lái)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(lái)衛(wèi)星量子通信的規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(記者 陸成寬)

關(guān)鍵詞： 量子