潘建伟|1120公里！“墨子号”又有新突破
6月15日 ， 国际著名学术期刊《自然》杂志上在线发表了中国量子通信的重要研究成果 。
本文插图
中国科学技术大学潘建伟院士研究团队 ， 联合中科院上海技术物理研究所王建宇等相关团队 ， 利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发 。 该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级 ， 并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信 ， 取得了量子通信现实应用的重要突破 。
本文插图
信息安全是人类的千年梦想
量子是构成物质的最基本单元 ， 无法被分割、无法被复制 ， 一旦被动手脚必然留下痕迹 ， 这使得用量子态所产生的密钥 ， 从物理根基上就无法被破解 。 基于纠缠的量子密钥分发的原理是 ， 无论处于纠缠状态的光子之间相隔多远 ， 只要测量了其中一个光子的状态 ， 另一个光子的状态也会相应确定 ， 这一特性可以用来在遥远两地的用户间直接产生密钥 。
“实现信息安全 ， 是人类的千年梦想 。 而所有依赖于计算复杂度的经典加密算法原理上都会被破解 。 ”潘建伟表示 ， 量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式 ， 但要从实验室走向广泛应用 ， 需要解决两大挑战 ， 分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题 。
【潘建伟|1120公里！“墨子号”又有新突破】量子通信通常采用单光子作为物理载体 ， 最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输 。 但是 ， 这两种信道的损耗都随着距离增加而指数增加 。 潘建伟说 ， 由于信号的损耗 ， 使用光纤分发量子密钥有一个距离的上限 ， 通过国际学术界30余年的努力 ， 此前已将现场点对点分发量子密钥的安全距离提高到了百公里量级 。
本文插图
要实现更远距离的量子密钥分发 ， 一个可行的方案是使用可信中继 。
什么是可信中继？潘建伟认为可以理解为“接力跑”：单光子在光纤中从a地要跑到b地 ， 但跑着跑着“没力气”了 ， 这时就可以设置个值得信赖的节点让密钥“落地”一下 ， 再由其他光子接着向前跑 。 比如 ， 世界首条量子保密通信京沪干线通过32个中继节点 ， 贯通了全长2000公里的城际光纤量子网络；而利用量子科学实验卫星“墨子号”作为中继 ， 在自由空间信道进一步拓展到了7600公里的洲际距离 。
不过 ， 尽管可信中继将传统通信方式中整条线路的安全风险限制在有限个中继节点范围 ， 中继节点的安全仍然需要得到人为保障 。 例如 ， 在星地量子密钥分发过程中 ， 量子卫星作为可信中继 ， 掌握着用户分发的全部密钥 ， 可如果卫星被他方控制 ， 就存在信息泄漏的风险 。
潘建伟说 ， 实现远距离安全量子通信的最佳解决方案是结合量子中继和基于纠缠的量子密钥分发 ， 原理上 ， 利用量子中继可实现远距离的量子纠缠分发 ， 但实用化的量子中继还需要较长时间 。 而利用卫星作为量子纠缠源 ， 通过自由空间信道在遥远两地直接分发纠缠 ， 为现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通信提供了可行的道路 。
无中继量子密钥分发距离首次突破千公里
向着未知奋进 ， 研究团队通过对地面望远镜进行升级 ， 在“墨子号”量子卫星过境时 ， 使其同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路 ， 以每秒2对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠 ， 进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥 。 在实验中 ， 卫星作为纠缠源 ， 只负责分发纠缠 ， 不掌握密钥的任何信息；而用户间的密钥是通过纠缠直接产生的 ， 不再需要卫星的中转了 。
推荐阅读
- 中年|“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信丨亮点成果
- 中年|量子卫星通信第一股！潘建伟院士等创办国盾量子上市
- 中国经济网|1120公里！“墨子号”量子科学实验卫星再创佳绩
- 1120公里1120公里！“墨子号”再创佳绩
- 经济日报|1120公里！“墨子号”再创佳绩 安全通信重要一步
- 北斗睿评|美承认干扰行动失败，墨子号量子卫星威力显现，俄：有史以来首次
- 量子通信“墨子号”取得量子通信重要成果
- 人造卫星|世界首次！“墨子号”量子卫星实现千公里级量子纠缠密钥分发
- 中国新闻网|“墨子号”再获新突破：实现无中继千公里量子保密通信