量子秘鑰分發是量子通訊領域國際學術界的關注焦點。近日，我國科學家在該領域取得重大突破。中科大潘建偉及其朋友彭承志、印娟等組成的聯合研究團隊，借助“墨子號”量子科學實驗衛星量子糾纏通訊，在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子秘鑰分發，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。
記者從中科院據悉：近日，一支聯合研究團隊借助“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。
該實驗由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，聯合牛津學院阿圖爾·埃克特、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一起完成。該成果于上海時間6月15日在線發表在國際學術刊物《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原理對量子態進行操控的一種通訊方式，才能有效解決信息安全問題。
一般講，量子通訊分為兩種，一種是量子秘鑰分發；另一種是量子隱型傳態。
量子秘鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的秘鑰，借助該秘鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，是不可監聽、不可破譯的安全通訊方法。
“量子秘鑰分發，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，須要把儲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過，傳送者會立即發覺，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到。”潘建偉說。
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，還須要解決兩大挑戰，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。
這么，怎么再進一步有效拓展量子通訊的距離？在現有技術水平下，使用可信中繼才能做到。也就是說將點對點傳輸改為分段傳輸，并采用中繼技術進行級聯，將要整個通訊線路分幾段，每段耗損都較小，再通過中繼器將這幾段聯接上去，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。
防止信息泄漏的風險
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，假如衛星被他方控制，就存在信息泄漏的風險。這么量子糾纏通訊，如何避免這些信息泄漏的風險？潘建偉覺得，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，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。
潘建偉進一步解釋：“由于對粒子的檢測最后是由用戶端來進行，所以糾纏源（比如衛星）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。“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，我們通過對地面偵測裝置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，所生成的秘鑰可不依賴可信中繼，并實現了偵測設備的安全性。”潘建偉說。
結合最新發展的量子糾纏源技術，未來衛星上可每秒形成10億對糾纏光子，最終秘鑰成分辨率將提升到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特。
走向量子互聯網的重要一步
潘建偉說，就像量子密碼的提出者之一吉列斯·布拉薩德所強調的，基于糾纏的秘鑰分發是所有密碼學家的夢想，也是其團隊在繼實現千公里級星地單向量子糾纏分發后努力的方向，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：“我們在不須要任何可信中繼的情況下，把量子秘鑰分發的實際距離從之前的100公里提升到了1120公里，突破1000公里量級。在我看來更加重要的是，雖然作為量子糾纏源的衛星，是由他人制造的，是不可信的，只要依照我們這個程序來做，它形成的秘鑰也是安全的。”
《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”“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，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”。
潘建偉表示，這次成果方案還屬于實驗室級別的成果，離真正實用化還有很長的路要走。“實現遠距離安全量子通訊，我們最理想的解決方案是全球化的基于糾纏的無中繼量子秘鑰分發網路，也是我們在量子通訊領域的最終目標，這還須要階段性地一步一步向前走。”潘建偉說。
此外，基于該研究成果發展上去的高效星地鏈路搜集技術，未來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、商業化應用奠定堅實的基礎。