“墨子號”實現無中繼千公里量子保密通信
來自中國科學技術大學等國內外單位的研究團隊利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次實現千公里級基於糾纏的量子密鑰分發。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量級，並且通過物理原理確保即使在衛星被他方控制的極端情況下，依然能實現安全的量子通信，取得了量子通信現實應用的重要突破。相關研究成果6月15日在線發表於《自然》雜誌上。
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，分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。在現有技術水平下，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”量子衛星作爲中繼，在自由空間信道可以拓展到7600公里的洲際距離。“然而，儘管可信中繼將傳統通信方式中整條線路的安全風險限制在有限的中繼節點範圍內，中繼節點的安全仍然需要得到人爲保障。”中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉說。
實現遠距離安全量子通信的最佳解決方案是結合量子中繼和基於糾纏的量子密鑰分發。基於糾纏的量子密鑰分發的原理是，無論處於糾纏狀態的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態也會相應確定，這一特性可以用來在遙遠兩地的用戶間產生密鑰。
利用衛星作爲量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發糾纏，爲現有技術條件下實現基於糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。
基於“墨子號”量子衛星的前期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後光路系統進行升級，實現了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號”量子衛星過境時，可以同時與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，以每秒兩對的速度在地面超過1120公里的兩個站之間建立量子糾纏，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。“在實驗中，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，保證了公平採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，並確保了現實安全性。”潘建偉說，結合最新發展的量子糾纏源技術，未來衛星上可每秒產生10億個糾纏光子，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。
對此，《自然》雜誌審稿人稱讚道，“這是朝向構建全球化量子密鑰分發網絡甚至量子互聯網的重要一步。”“我的確認爲不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發協議的實現是一個里程碑。”
潘建偉表示，基於該研究成果發展起來的高效星地鏈路收集技術，可以將量子衛星載荷重量由現有的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時將地面接收系統的重量由現有的10餘噸大幅降低到100公斤左右，實現接收系統的小型化、可搬運，爲將來衛星量子通信的規模化、商業化應用奠定了堅實的基礎。（記者 陸成寬）