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1120公里！“墨子号”再创佳绩( 二 )


实际应用面临挑战
理想很丰满 ， 现实很骨感 。原理上无条件安全的量子通信 ， 要从实验室走向广泛应用 ， 仍面临两大挑战：一是远距离传输带来的信号损耗;二是现实器件 ， 如光源、探测器等不完美带来的安全性漏洞 。因此 ， 要在现实条件下实现远距离的量子通信 ， 并非听起来那么简单 。
以信号损耗为例 。科学家们一般使用单光子作为物理载体来传输密钥 ， 但因为单光子信号不能被放大 ， 再加上传输信道——光纤对单光子的吸收 ， 随着传输距离的拉长 ， 单光子信号损耗呈指数增长 。通过30余年坚持不懈的努力 ， 如今 ， 国际学术界在实验室中将点对点光纤量子密钥分发的距离提高到了500公里 。
如何实现更远距离的量子通信?使用可信中继是一个行之有效的方法 。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 ， 可跑着跑着没力气了 ， 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 ， 利用“墨子号”作为中继 ， 中国科学家在自由空间信道实现了7600公里的洲际通信 。
“理论上讲 ， 只要没有人爬到卫星上去窃听 ， 那么 ， 我们的通信就是安全的 。但是 ， 这些中继节点的安全仍然需要得到人为保障 。”潘建伟举了个例子：如果人们使用卫星作为中继节点 ， 卫星就掌握着用户分发的全部密钥 。如此一来 ， 便带来了另外一个问题：假如这个卫星是别国制造的 ， 就可能会存在信息泄露的风险 。
那么 ， 如何避免这一可能存在的潜在风险?2017年 ， “墨子号”首次实现千公里量级的自由空间量子纠缠分发 ， 圆满完成了既定科学目标 。此时 ， 潘建伟萌生了一个新的想法：发射一颗卫星花了不少经费 ， 可不可以尝试一下利用“墨子号”作为量子纠缠源 ， 而不是量子密钥的中继点 ， 实现基于纠缠的远距离量子密钥分发?
基于纠缠的量子密钥分发的原理是 ， 无论处于纠缠状态的两个粒子之间相隔多远 ， 只要测量了其中一个粒子的状态 ， 另一个粒子的状态也会相应确定 。“利用这一特性 ， 我们可以在遥远两地的用户间直接生成并安全共享一组量子密钥 ， 为所传输的二进制信息加密 。”潘建伟表示 。
【1120公里！“墨子号”再创佳绩】 实现安全通信重要一步
向着科学的高峰努力奔跑 ， 基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作与技术积累 ， 研究团队通过对地面望远镜主光学与后光路进行升级 ， 实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升 。
有了技术的支撑 ， “墨子号”量子卫星过境时 ， 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对光子的速度在地面超过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 。
“在该实验中 ， 卫星作为量子纠缠源 ， 只负责分发量子纠缠 ， 不掌握量子密钥的任何信息;用户间的密钥是通过量子纠缠直接产生的 ， 不再需要卫星的中转 。”潘建伟说 ， 由于对纠缠粒子的测量最后是由用户端来进行 ， 根据量子纠缠特性 ， 即使纠缠源由不可信的他方提供 ， 只要用户间最终检测到量子纠缠 ， 就可以产生安全的密钥 。所以 ， 量子通信源端不完美带来的安全问题可以得到完全解决 ， 最终确保了量子通信的现实安全性 。


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