中國科學技術學院潘建偉及其朋友彭承志、印娟等組成的研究團隊，聯合牛津學院ArturEkert、中科院武漢技術化學研究所王建宇團隊、微小衛星創新研究院、光電技術研究所等相關團隊，借助“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子秘鑰分發。該實驗成果除了將往年地面無中繼量子保密通訊的空間距離提升了一個數目級，但是通過數學原理確保了雖然在衛星被他方控制的極端情況下仍然能實現安全的量子通訊，取得了量子通訊現實應用的重要突破。6月15日，研究團隊在國際知名學術刊物《自然》雜志上在線發表了題為“基于糾纏的千公里級安全量子加密（-basedover1,120）”的研究論文。《自然》雜志因此專門發布了題為“基于衛星的遠距離安全通訊（:Long-range-based）”的新聞稿（Press）加以推介。
量子通訊提供了一種原理上無條件安全的通訊方法，但要從實驗室邁向廣泛應用，須要解決兩大挑戰，分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。通過國際學術界30余年的努力，目前現場點對點光纖量子秘鑰分發的安全距離達到了百公里量級。在現有技術水平下，使用可信中繼可以有效拓展量子通訊的距離，例如世界首列量子保密通訊滬寧干線通過32個中繼節點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網路；而借助量子科學實驗衛星“墨子號”作為中繼，在自由空間信道進一步拓展到了7600公里的洲際距離。但是，雖然可信中繼將傳統通訊方法中整條線路的安全風險限制在有限個中繼節點范圍，中繼節點的安全一直須要得到人為保障。比如，在星地量子秘鑰分發過程中，量子衛星作為可信中繼，把握著用戶分發的全部秘鑰量子通訊技術真偽，假如衛星被他方控制，就存在信息泄露的風險。
實現遠距離安全量子通訊的最佳解決方案是結合量子中繼和基于糾纏的量子秘鑰分發。基于糾纏的量子秘鑰分發的原理是，無論處于糾纏狀態的粒子之間相隔多遠，只要檢測了其中一個粒子的狀態量子通訊技術真偽，另一個粒子的狀態也會相應確定，這一特點可以拿來在遙遠兩地的用戶間形成秘鑰。因為對粒子的檢測局域地發生在用戶端，糾纏源不把握秘鑰的任何信息，雖然糾纏源（比如衛星）由不可信的他方提供，只要用戶間檢查到量子糾纏，就可以形成安全的秘鑰。因而，量子通訊源端不完美帶來的安全問題可以得到完全解決，進一步提升了量子通訊的現實安全性。原理上，借助量子中繼可以實現遠距離的量子糾纏分發，但實用化的量子中繼還須要較長時間。
借助衛星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發糾纏，為現有技術條件下實現基于糾纏的量子保密通訊提供了可行的公路。非常是“墨子號”量子科學實驗衛星在2017年首次實現千公里量級的自由空間量子糾纏分發后，實現基于糾纏的遠距離量子秘鑰分發就成為國際學術界熱切期待的目標。
基于“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后光路進行升級，實現了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提高。“墨子號”量子衛星過境時，同時與山西昆明南山站和山東德令哈站兩個地面站構建光鏈路，以每秒2對的速率在地面超過1120公里的兩個站之間構建量子糾纏，從而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速度形成秘鑰。在實驗中，通過對地面接收光路和單光子偵測器等方面進行悉心設計和防護，保證了公正取樣和對所有已知側信道的免疫，所生成的秘鑰不依賴可信中繼、并確保了現實安全性。結合最新發展的量子糾纏源技術，未來衛星上可每秒形成10億對糾纏光子，最終密鑰成分辨率將提升到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特。
實驗示意圖
《自然》雜志審稿人贊揚該工作“展示了一項開創性實驗的結果（theofa）；”“這是朝向建立全球化量子秘鑰分發網路甚至量子互聯網的重要一步（ThisisastepaforQKD,andmore,afor）；”“我的確覺得不依賴可信中繼的長距離糾纏量子秘鑰分發合同的實驗實現是一個里程碑（Idoagreethattheofalong--basedQKDnotonnodesisa）。”該研究成果是現實條件下實現安全、遠距離量子保密通訊的重要突破，就像沃爾夫數學學獎獲得者、量子密碼的提出者之一所強調的，“這將最終實現所有密碼學者千年來的夢想（ThiswouldtheholyGrailthatallhavebeenofforofyears）。
”基于該研究成果發展上去的高效星地鏈路搜集技術，可以將量子衛星荷載重量由現有的幾百公斤增加到幾十公斤以下，同時將地面接收系統的重量由現有的10余噸急劇減少到100公斤左右，實現接收系統的大型化、可搬運，為將來衛星量子通訊的規模化、商業化應用奠定了堅實的基礎。“墨子號”量子科學實驗衛星是中科院空間科學戰略性先導科技專項之一。迄今，“墨子號”研究團隊已在《自然》及《科學》雜志發表了5篇研究論文，為我國在未來繼續推動世界量子通訊技術發展和空間尺度量子化學基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。
該研究工作得到了中科院、國家自然科學基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。
論文鏈接：
（南京微尺度物質科學國家研究中心、物理大學、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）
