在西藏阿里觀測(cè)站,，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境,，科研人員在做實(shí)驗(yàn)（合成照片）,。 新華社記者 金立旺攝

1120公里,！近日，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星再立新功：科學(xué)家們利用“墨子號(hào)”作為量子糾纏源,，向遙遠(yuǎn)的兩地分發(fā)量子糾纏,，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)——為量子通信走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

近日，科學(xué)家們利用“墨子號(hào)”在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā),。該實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí),，更重要的是，通過物理原理確保了即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下,，依然能夠?qū)崿F(xiàn)安全的量子通信,，為量子通信走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

該實(shí)驗(yàn)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事,，聯(lián)合牛津大學(xué)阿圖爾·?？颂亍⒅袊?guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇團(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。該成果已于近日在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上,。

無條件安全的量子通信

量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元,，是能量的基本攜帶者，無法被分割和復(fù)制,。對(duì)于人們來說,，所有大家所熟知的分子、原子,、電子,、光子等微觀粒子，都統(tǒng)稱為量子,。通常,，光子被用來制備量子。

所謂量子密鑰分發(fā),，簡(jiǎn)單說,，即在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間生成并安全共享一組量子密鑰，為所傳輸?shù)亩M(jìn)制信息加密,。這種量子通信方式之所以被科學(xué)家們寄予厚望,，是因?yàn)槌诵畔⒌陌l(fā)送、接收方,，如果有第三方試圖復(fù)制或竊聽量子密鑰,，則通信的雙方便會(huì)立刻察覺。

這一新型通信方式的實(shí)現(xiàn),，正是基于量子疊加和不可復(fù)制的特性,。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，一個(gè)客體,，比如貓,，其狀態(tài)只有兩種，要么是生，要么是死,。但在量子世界中,，這只貓卻可以處于又生又死的疊加狀態(tài)。不過,，這種疊加態(tài)極其脆弱，一旦有人去測(cè)量,，其狀態(tài)（又生又死）馬上就會(huì)發(fā)生改變,，而不再是原來的那只貓了。換句話說,，如果有人試圖竊聽量子密鑰,，需要事先測(cè)量傳送密鑰的量子狀態(tài)，然而,，脆弱的疊加態(tài)導(dǎo)致量子自身一旦被測(cè)量或者復(fù)制,，就會(huì)立刻改變?cè)袪顟B(tài)，從而被通信雙方察覺,。

“量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患,，因?yàn)槠浒踩圆灰蕾囉谟?jì)算復(fù)雜度，這是在原理上無條件安全的一種通信方式,，一旦存在竊聽必然被發(fā)現(xiàn),。”潘建偉說,。

在潘建偉看來,，量子密鑰分發(fā)，就好比一個(gè)人想要傳遞秘密給另外一個(gè)人,，需要把存放秘密的箱子與一把鑰匙傳給接收方,。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密,。沒有這把鑰匙,，別人無法打開箱子，而一旦這把鑰匙被別人動(dòng)過,，傳送者就會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)——原有鑰匙會(huì)作廢,，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到,。

“量子技術(shù),，其基本概念就是利用量子物理定律操縱微觀物質(zhì)，比如原子,、分子和電子,，從而獲得宏觀物質(zhì)世界無法實(shí)現(xiàn)的功能，其中的量子密碼學(xué)正是這篇論文所涉及的關(guān)鍵。理論上,，經(jīng)過量子加密的通信是無法被竊聽的,。”自然集團(tuán)副總裁楊曉虹表示,。

實(shí)際應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)

理想很豐滿,，現(xiàn)實(shí)很骨感。原理上無條件安全的量子通信,，要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用,，仍面臨兩大挑戰(zhàn)：一是遠(yuǎn)距離傳輸帶來的信號(hào)損耗；二是現(xiàn)實(shí)器件,，如光源,、探測(cè)器等不完美帶來的安全性漏洞。因此,，要在現(xiàn)實(shí)條件下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信,，并非聽起來那么簡(jiǎn)單。

以信號(hào)損耗為例,?？茖W(xué)家們一般使用單光子作為物理載體來傳輸密鑰，但因?yàn)閱喂庾有盘?hào)不能被放大,，再加上傳輸信道——光纖對(duì)單光子的吸收,，隨著傳輸距離的拉長(zhǎng)，單光子信號(hào)損耗呈指數(shù)增長(zhǎng),。通過30余年堅(jiān)持不懈的努力,，如今，國(guó)際學(xué)術(shù)界在實(shí)驗(yàn)室中將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的距離提高到了500公里,。

如何實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信,？使用可信中繼是一個(gè)行之有效的方法。什么是可信中繼,？潘建偉認(rèn)為可以理解為“接力跑”：?jiǎn)喂庾釉诠饫w中從a地要跑到b地,，可跑著跑著沒力氣了，這時(shí)就可以設(shè)置個(gè)值得信賴的節(jié)點(diǎn)讓密鑰“落地”一下,，再由其他光子接著向前跑,。比如，利用“墨子號(hào)”作為中繼,，中國(guó)科學(xué)家在自由空間信道實(shí)現(xiàn)了7600公里的洲際通信,。

“理論上講，只要沒有人爬到衛(wèi)星上去竊聽,，那么,，我們的通信就是安全的,。但是，這些中繼節(jié)點(diǎn)的安全仍然需要得到人為保障,?！迸私▊ヅe了個(gè)例子：如果人們使用衛(wèi)星作為中繼節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星就掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰,。如此一來,，便帶來了另外一個(gè)問題：假如這個(gè)衛(wèi)星是別國(guó)制造的，就可能會(huì)存在信息泄露的風(fēng)險(xiǎn),。

那么,，如何避免這一可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)？2017年,，“墨子號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的自由空間量子糾纏分發(fā),，圓滿完成了既定科學(xué)目標(biāo),。此時(shí),，潘建偉萌生了一個(gè)新的想法：發(fā)射一顆衛(wèi)星花了不少經(jīng)費(fèi)，可不可以嘗試一下利用“墨子號(hào)”作為量子糾纏源,，而不是量子密鑰的中繼點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(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)的兩個(gè)粒子之間相隔多遠(yuǎn),，只要測(cè)量了其中一個(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,?！袄眠@一特性，我們可以在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間直接生成并安全共享一組量子密鑰,，為所傳輸?shù)亩M(jìn)制信息加密,。”潘建偉表示,。

實(shí)現(xiàn)安全通信重要一步

向著科學(xué)的高峰努力奔跑,，基于“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作與技術(shù)積累，研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)與后光路進(jìn)行升級(jí),，實(shí)現(xiàn)了單邊雙倍,、雙邊四倍接收效率的提升。

有了技術(shù)的支撐,，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí),，同時(shí)與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個(gè)地面站建立光鏈路，以每秒2對(duì)光子的速度在地面超過1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏,，進(jìn)而在有限碼長(zhǎng)下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰,。

“在該實(shí)驗(yàn)中,，衛(wèi)星作為量子糾纏源，只負(fù)責(zé)分發(fā)量子糾纏,，不掌握量子密鑰的任何信息,；用戶間的密鑰是通過量子糾纏直接產(chǎn)生的，不再需要衛(wèi)星的中轉(zhuǎn),?！迸私▊フf，由于對(duì)糾纏粒子的測(cè)量最后是由用戶端來進(jìn)行,，根據(jù)量子糾纏特性,，即使糾纏源由不可信的他方提供，只要用戶間最終檢測(cè)到量子糾纏,，就可以產(chǎn)生安全的密鑰,。所以，量子通信源端不完美帶來的安全問題可以得到完全解決,，最終確保了量子通信的現(xiàn)實(shí)安全性,。

對(duì)此，《自然》雜志審稿人稱贊該工作,，“不依賴可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑,。”潘建偉坦言,，剛發(fā)射“墨子號(hào)”衛(wèi)星時(shí),，自己也不敢幻想能取得今天的成果，一路“邊走邊下蛋”,，最終有了這一重要科研突破,。“然而,，這次科研成果目前只是科學(xué)上的原理演示,，距離實(shí)際應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走?！迸私▊フf,。

關(guān)于下一步的發(fā)展，他說,，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10億對(duì)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,。屆時(shí),，安全的量子通信的夢(mèng)想將有望照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。（經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)·中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 沈 慧)