1120公里！《墨子》又取得了巨大的成功

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1120公里！最近，墨子量子科学实验卫星做出了新的贡献:科学家利用墨子作为量子纠缠源，将量子纠缠分布到两个遥远的地方，并在世界上首次实现了数千公里的基于纠缠的量子密钥分配，为量子通信的实际应用奠定了重要基础。

最近，科学家们在世界上首次利用墨子实现了基于纠缠的量子密钥分发。实验结果不仅将以往地面无中继量子保密通信中的空之间的距离提高了一个数量级，而且保证了即使在卫星通过物理原理被其他方控制的极端情况下也能实现保密量子通信，为量子通信的实际应用奠定了重要基础。

实验由中国科学技术大学的潘剑伟及其同事与牛津大学的阿图尔·埃克特、中国科学院上海技术物理研究所的王建宇团队、微型卫星创新研究所、光电技术研究所等相关团队共同完成。这项成就最近发表在国际顶级学术期刊《自然》的网上。

无条件安全量子通信

量子是物质最基本的单位和能量的基本载体，是不可分割和复制的。对人们来说，所有众所周知的微观粒子，如分子、原子、电子和光子，都被称为量子。通常，光子被用来制造量子。

简而言之，所谓的量子密钥分发意味着生成一组量子密钥，并在两个遥远地方的用户之间安全共享，以加密传输的二进制信息。科学家高度期待这种量子通信的原因是，除了信息的发送者和接收者之外，如果第三方试图复制或窃听量子密钥，通信双方都会立即注意到它。

这种新的通信方式的实现是基于量子叠加和不可重复的特性。根据经典物理学，一个物体，比如一只猫，只有两种状态，要么活着，要么死了。然而，在量子世界中，这只猫可以处于生与死的叠加状态。然而，这种叠加状态极其脆弱。一旦有人测量它，它的状态(生与死)将立即改变，而不是原来的猫。换句话说，如果有人试图窃听量子密钥，有必要事先测量传输密钥的量子状态。然而，脆弱的叠加态一旦被测量或复制，就会导致量子本身立即改变其原始状态，从而被双方检测到。

量子通信克服了经典加密技术固有的安全风险，因为它的安全性不依赖于计算复杂度，这在原则上是一种无条件安全的通信模式。一旦窃听存在，就必须被发现。潘剑伟说道。

潘剑伟认为，量子密钥分配就像一个人想把秘密传给另一个人，需要把秘密盒和密钥传给接收者。接收者只有用这把钥匙打开盒子才能得到这个秘密。没有这把钥匙，其他人就不能打开盒子，一旦这把钥匙被其他人碰过，发送者将立即发现原来的钥匙是无效的，并给出一把新钥匙，直到确保接收者自己得到它。

量子技术的基本概念是利用量子物理定律操纵微观物质，如原子、分子和电子，从而获得在宏观物质世界中无法实现的功能。量子密码是本文的重点。理论上，量子加密通信是不能被窃听的。自然集团副总裁杨晓鸿说。

实际应用面临挑战

理想丰满，现实瘦骨嶙峋。原则上，无条件和安全的量子通信仍然面临两大挑战:第一，长距离传输造成的信号损失；第二，安全漏洞是由真实设备的缺陷造成的，比如光源和探测器。因此，在现实条件下实现长距离量子通信并不像听起来那么简单。

以信号损失为例。科学家们一般使用单光子作为传输密钥的物理载体，但是由于单光子信号不能被放大，并且传输通道光纤吸收单光子，单光子信号的损耗随着传输距离的延长呈指数增加。经过30多年的不懈努力，国际学术界已经将实验室点对点光纤量子密钥分发的距离提高到500公里。

如何实现远距离量子通信？使用可信中继是一种有效的方法。什么是可信中继？潘剑伟认为，这可以理解为中继运行:一个单光子在光纤中从一个地面运行到另一个地面，但没有运行的强度。此时，可以设置一个可信任的节点让密钥着陆，然后其他光子可以向前运行。例如，使用墨子作为中继，中国科学家已经在自由空信道上实现了7600公里的洲际通信。

理论上，只要没有人爬到卫星上偷听，我们的通信就安全了。然而，这些中继节点的安全性仍然需要人工保证。潘剑伟举了一个例子:如果人们使用卫星作为中继节点，卫星将拥有用户分配的所有密钥。因此，还有另一个问题:如果这颗卫星是在其他国家制造的，可能会有信息泄露的风险。

那么，如何避免这种潜在的风险呢？2017年，墨子首次实现了数千公里量级的量子纠缠分布，并成功完成了既定的科学目标。这时，潘剑伟想出了一个新主意:发射一颗卫星要花很多钱。我们能否尝试用墨子代替量子密钥中继点作为量子纠缠源，实现基于纠缠的远程量子密钥分发？

基于纠缠的量子密钥分配原理是，无论两个粒子相距多远，只要一个粒子的状态被测量，另一个粒子的状态就会相应地被确定。利用这一特性，我们可以在两个遥远的地方的用户之间直接生成和共享一组量子密钥来加密传输的二进制信息。潘剑伟说道。

安全通信的重要一步

奔向科学的巅峰，在墨子量子卫星前期实验工作和技术积累的基础上，研究团队对地面望远镜的主光学和后光路进行了升级，实现了双单边和四双边接收效率的提高。

在技术支持下，墨子量子卫星以每秒两对光子的速度与新疆乌鲁木齐的南山站和青海的德令哈两个地面站建立了光链路，并在地面1120多公里的两个地面站之间建立了量子纠缠，然后在有限的码长下以每秒0.12比特的最终码率生成密钥。

在这个实验中，作为量子纠缠源的卫星只负责分配量子纠缠，不掌握任何量子密钥信息；用户之间的密钥直接由量子纠缠产生，不再需要卫星传输。潘建伟说，由于纠缠粒子的测量最终是由用户进行的，根据量子纠缠的特点，即使纠缠源是由不可信的一方提供的，只要用户之间的量子纠缠最终被检测到，就可以生成安全密钥。因此，可以彻底解决量子通信源不完善带来的安全问题，最终保证量子通信的真正安全性。

在这方面，《自然》杂志的评论者称赞了这项工作，而不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验实现是一个里程碑。潘剑伟坦言，当他第一次发射墨子卫星时，他不敢想象自己能取得今天的成就，一路走来，一路下蛋，终于在科研上取得了这一重大突破。然而，这一科学研究成果目前只是科学原理的示范，在实际应用之前还有很长的路要走。潘剑伟说道。

关于下一步的发展，他说，随着量子纠缠源技术的最新发展，未来卫星上可以产生10亿对纠缠光子，关键编码率最终将提高到每秒几十位或每次传输几万位。到那时，安全量子通信的梦想有望实现。(经济日报、中国经济网记者申会)

来源：央视在线直播