量子秘鑰分發(fā)是量子通訊領(lǐng)域國(guó)際學(xué)術(shù)界的關(guān)注焦點(diǎn)。近日，我國(guó)科學(xué)家在該領(lǐng)域取得重大突破。中科大潘建偉及其朋友彭承志、印娟等組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，借助“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星量子糾纏通訊，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)基于糾纏的量子秘鑰分發(fā)，將往年地面無(wú)中繼量子保密通訊的空間距離提升了一個(gè)數(shù)目級(jí)。
記者從中科院據(jù)悉：近日，一支聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)借助“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)基于糾纏的量子秘鑰分發(fā)。該實(shí)驗(yàn)成果除了將往年地面無(wú)中繼量子保密通訊的空間距離提升了一個(gè)數(shù)目級(jí)，但是通過(guò)數(shù)學(xué)原理確保了雖然在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下仍然能實(shí)現(xiàn)安全的量子通訊，取得了量子通訊現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要突破。
該實(shí)驗(yàn)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉及其朋友彭承志、印娟等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合牛津?qū)W院阿圖爾·?？颂?、中科院武漢技術(shù)化學(xué)研究所王建宇團(tuán)隊(duì)、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊(duì)一起完成。該成果于上海時(shí)間6月15日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志上。
拓展量子通訊的距離
量子通訊是借助量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控的一種通訊方式，才能有效解決信息安全問(wèn)題。
一般講，量子通訊分為兩種，一種是量子秘鑰分發(fā)；另一種是量子隱型傳態(tài)。
量子秘鑰分發(fā)通過(guò)量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無(wú)條件安全的秘鑰，借助該秘鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，是不可監(jiān)聽、不可破譯的安全通訊方法。
“量子秘鑰分發(fā)，就好比一個(gè)人想要傳遞秘密給另外一個(gè)人，須要把儲(chǔ)存秘密的袋子和一把鎖匙傳給接收方。接收方只有用這把鎖匙打開袋子，能夠取到秘密。沒(méi)有這把鎖匙，他人難以打開袋子，但是一旦這把鎖匙被他人動(dòng)過(guò)，傳送者會(huì)立即發(fā)覺(jué)，原有的鎖匙作廢，再給一把新的鎖匙，直到確保接收方本人領(lǐng)到?！迸私▊フf(shuō)。
量子通訊提供了一種原理上無(wú)條件安全的通訊方法，但要從實(shí)驗(yàn)室邁向廣泛應(yīng)用，還須要解決兩大挑戰(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。通過(guò)國(guó)際學(xué)術(shù)界30余年的努力，目前現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子秘鑰分發(fā)的安全距離達(dá)到了百公里量級(jí)。
這么，怎么再進(jìn)一步有效拓展量子通訊的距離？在現(xiàn)有技術(shù)水平下，使用可信中繼才能做到。也就是說(shuō)將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸改為分段傳輸，并采用中繼技術(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，將要整個(gè)通訊線路分幾段，每段耗損都較小，再通過(guò)中繼器將這幾段聯(lián)接上去，但是這種中繼器是可被信任的。
于2017年9月29日即將開通的世界首列量子保密通訊滬寧干線就是通過(guò)32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，貫通了全長(zhǎng)2000公里的城際光纖量子網(wǎng)路；而借助量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”作為中繼，在自由空間信道進(jìn)一步拓展到了7600公里的洲際距離。
防止信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)
雖然可信中繼將傳統(tǒng)通訊方法中整條線路的安全風(fēng)險(xiǎn)限制在有限個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)范圍，中繼節(jié)點(diǎn)的安全一直須要人為保障。比如，在星地量子秘鑰分發(fā)過(guò)程中，量子衛(wèi)星作為可信中繼，把握著用戶分發(fā)的全部秘鑰，假如衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。這么量子糾纏通訊，如何避免這些信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)？潘建偉覺(jué)得，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通訊的最佳解決方案是結(jié)合量子中繼和基于糾纏的量子秘鑰分發(fā)。
基于糾纏的量子秘鑰分發(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)，只要檢測(cè)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，這一特點(diǎn)可以拿來(lái)在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間形成秘鑰。
潘建偉進(jìn)一步解釋：“由于對(duì)粒子的檢測(cè)最后是由用戶端來(lái)進(jìn)行，所以糾纏源（比如衛(wèi)星）不把握秘鑰的任何信息，雖然糾纏源由不可信的他方提供，只要用戶間最終檢查到量子糾纏，就可以形成安全的秘鑰。因而，量子通訊源端不完美帶來(lái)的安全問(wèn)題可以得到完全解決，進(jìn)一步提升了量子通訊的現(xiàn)實(shí)安全性。”
原理上，借助量子中繼可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，但實(shí)用化的量子中繼還須要較長(zhǎng)時(shí)間。借助衛(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訊提供了可行的公路?！澳犹?hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在2017年首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子秘鑰分發(fā)就成為國(guó)際學(xué)術(shù)界期待的目標(biāo)。
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高。
“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，同時(shí)與山西昆明南山站和山東德令哈站兩個(gè)地面站構(gòu)建光鏈路，以每秒2對(duì)的速率在地面超過(guò)1120公里的兩個(gè)站之間構(gòu)建量子糾纏，從而在有限碼長(zhǎng)下以每秒0.12比特的最終碼速度形成秘鑰。
“在實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)對(duì)地面?zhèn)蓽y(cè)裝置進(jìn)行悉心設(shè)計(jì)和防護(hù)，保證了公正取樣和對(duì)所有已知側(cè)信道的免疫，所生成的秘鑰可不依賴可信中繼，并實(shí)現(xiàn)了偵測(cè)設(shè)備的安全性。”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)星上可每秒形成10億對(duì)糾纏光子，最終秘鑰成分辨率將提升到每秒幾十比特或單次過(guò)境幾萬(wàn)比特。
走向量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步
潘建偉說(shuō)，就像量子密碼的提出者之一吉列斯·布拉薩德所強(qiáng)調(diào)的，基于糾纏的秘鑰分發(fā)是所有密碼學(xué)家的夢(mèng)想，也是其團(tuán)隊(duì)在繼實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地單向量子糾纏分發(fā)后努力的方向，這次取得的重要成果意味著朝向摘奪桂冠邁出了重要一步。
潘建偉介紹：“我們?cè)诓豁氁魏慰尚胖欣^的情況下，把量子秘鑰分發(fā)的實(shí)際距離從之前的100公里提升到了1120公里，突破1000公里量級(jí)。在我看來(lái)更加重要的是，雖然作為量子糾纏源的衛(wèi)星，是由他人制造的，是不可信的，只要依照我們這個(gè)程序來(lái)做，它形成的秘鑰也是安全的。”
《自然》雜志審稿人贊揚(yáng)該工作“展示了一項(xiàng)開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果”“這是朝向建立全球化量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步，我的確覺(jué)得不依賴可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子秘鑰分發(fā)合同的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑”。
潘建偉表示，這次成果方案還屬于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的成果，離真正實(shí)用化還有很長(zhǎng)的路要走?！皩?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通訊，我們最理想的解決方案是全球化的基于糾纏的無(wú)中繼量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路，也是我們?cè)诹孔油ㄓ嶎I(lǐng)域的最終目標(biāo)，這還須要階段性地一步一步向前走。”潘建偉說(shuō)。
此外，基于該研究成果發(fā)展上去的高效星地鏈路搜集技術(shù)，未來(lái)可以將量子衛(wèi)星荷載重量由現(xiàn)有的幾百公斤增加到幾十公斤以下，同時(shí)將地面接收系統(tǒng)的重量由現(xiàn)有的10余噸急劇減少到100公斤左右，實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)的大型化、可搬運(yùn)，為將來(lái)衛(wèi)星量子通訊的規(guī)?；⑸虡I(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。