遠(yuǎn)距離安全量子通信再獲突破!

來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國內(nèi)外單位的研究團隊利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在國際上首次實現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。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(shù)量級，并且通過物理原理確保即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下，依然能實現(xiàn)安全的量子通信，取得了量子通信現(xiàn)實應(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條件安全的通信方式，但要從實驗室走向廣泛應(yīng)用，需要解決兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實條件下的安全性問題和遠(yuǎn)距離傳輸問題。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”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)險限制在有限的中繼節(jié)點范圍內(nèi)，中繼節(jié)點的安全仍然需要得到人為保障。”中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉說。

實現(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，無論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要測量了其中一個粒子的狀態(tài)，另一個粒子的狀態(tài)也會相應(yīng)確定，這一特性可以用來在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間產(chǎn)生密鑰。

利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過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”量子衛(wèi)星的前期實驗工作和技術(shù)積累，研究團隊通過對地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)和后光路系統(tǒng)進行升級，實現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號”量子衛(wèi)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(chǎn)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(shè)計和防護，保證了公平采樣和對所有已知側(cè)信道的免疫，所生成的密鑰不依賴可信中繼，并確保了現(xiàn)實安全性。”潘建偉說，結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來衛(wèi)星上可每秒產(chǎn)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》雜志審稿人稱贊道，“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)為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實現(xiàn)是一個里程碑。”

潘建偉表示，基于該研究成果發(fā)展起來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，實現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運，為將來衛(wèi)星量子通信的規(guī)?；?、商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

(陸成寬)