中國科學技術大學潘建偉院士研究團隊，聯(lián)合中科院上海技術物理研究所王建宇等相關團隊，利用“墨子號”量子科學實驗衛(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了即使在衛(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)實應用的重要突破。6月15日，國際著名學術期刊《自然》雜志在線發(fā)表了這一研究成果。
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，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)化應用奠定堅實的基礎。
“實現(xiàn)信息安全，是人類的夢想。而所有依賴于計算復雜度的經(jīng)典加密算法原理上都會被破解。”潘建偉表示，量子通信提供了一種原理上安全的通信方式，但要從實驗室走向廣泛應用，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距離傳輸問題。
量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離增加而增加。潘建偉說，由于信號損耗，使用光纖分發(fā)量子密鑰有一個距離的上限，通過國際學術界30余年的努力，目前將現(xiàn)場點對點分發(fā)量子密鑰的安全距離提高到了百公里量級。
要實現(xiàn)更遠距離的量子密鑰分發(fā)，一個可行的方案是使用可信中繼?？尚胖欣^可理解為“接力跑”。比如，世界首條量子保密通信京滬干線通過32個中繼節(jié)點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡。
不過，盡管可信中繼將傳統(tǒng)通信方式中整條線路的安全風險限制在有限的中繼節(jié)點范圍，但中繼節(jié)點的安全仍然需要得到人為保障。例如，在星地量子密鑰分發(fā)過程中，量子衛(wèi)星作為可信中繼，掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰，可如果衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄露風險。
研究團隊通過對地面望遠鏡升級，在“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，使其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2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，衛(wèi)星作為糾纏源，只負責分發(fā)糾纏，不掌握密鑰的任何信息;而用戶間的密鑰是通過糾纏直接產(chǎn)生的，不再需要衛(wèi)星中轉。
《自然》雜志審稿人稱贊該工作是邁向構建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步。在潘建偉看來，這一最新研究將無中繼的量子密鑰分發(fā)距離首次突破1000公里，是一大重要突破;更重要的意義在于，即使衛(wèi)星被他方控制也能夠產(chǎn)生安全的密鑰。
據(jù)了解，“墨子號”研究團隊迄今已在《自然》及《科學》雜志發(fā)表了5篇研究論文，為我國在未來繼續(xù)引領世界量子通信技術發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。(記者 沈慧)
關鍵詞： 量子通信
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