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山水迢迢 闪送量子密钥
2020-06-17 人民日报

图为“墨子号”在新疆南山和青海德令哈两个地面站间分发量子纠缠示意图。

“墨子号”科研团队供图

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  量子密钥分发是量子通信领域国际学术界的关注焦点。日前,我国科学家在该领域取得重大突破。中科大潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的联合研究团队,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,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。

  记者从中科院获悉:日前,一支联合研究团队利用“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。

  该实验由中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队,联合牛津大学阿图尔·埃克特、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队一起完成。该成果于北京时间6月15日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

  拓展量子通信的距离

  量子通信是利用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式,能够有效解决信息安全问题。

  通常讲,量子通信分为两种,一种是量子密钥分发;另一种是量子隐形传态。

  量子密钥分发通过量子态的传输,在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥,利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密,是不可窃听、不可破译的安全通信方式。

  “量子密钥分发,就好比一个人想要传递秘密给另外一个人,需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子,才能取到秘密。没有这把钥匙,别人无法打开箱子,而且一旦这把钥匙被别人动过,传送者会立刻发现,原有的钥匙作废,再给一把新的钥匙,直到确保接收方本人拿到。”潘建伟说。

  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,还需要解决两大挑战,分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。通过国际学术界30余年的努力,目前现场点对点光纤量子密钥分发的安全距离达到了百公里量级。

  那么,如何再进一步有效拓展量子通信的距离?在现有技术水平下,使用可信中继能够做到。也就是说将点对点传输改为分段传输,并采用中继技术进行级联,即将整个通信线路分几段,每段损耗都较小,再通过中继器将这几段连接起来,并且这些中继器是可被信任的。

  于2017年9月29日正式开通的世界首条量子保密通信京沪干线就是通过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。

  杜绝信息泄露的风险

  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,如果卫星被他方控制,就存在信息泄露的风险。那么,怎样杜绝这种信息泄露的风险?潘建伟认为,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。

  基于纠缠的量子密钥分发的原理是,无论处于纠缠状态的粒子之间相隔多远,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,这一特性可以用来在遥远两地的用户间产生密钥。

  潘建伟进一步解释:“由于对粒子的测量最后是由用户端来进行,所以纠缠源(例如卫星)不掌握密钥的任何信息,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。因此,量子通信源端不完美带来的安全问题可以得到完全解决,进一步提高了量子通信的现实安全性。”

  原理上,利用量子中继可以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。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。“墨子号”量子科学实验卫星在2017年首次实现千公里量级的自由空间量子纠缠分发后,实现基于纠缠的远距离量子密钥分发就成为国际学术界期盼的目标。

  基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作和技术积累,研究团队通过对地面望远镜主光学和后光路进行升级,实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。

  “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,澳门观光塔 下午茶: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,我们通过对地面探测装置进行精心设计和防护,保证了公平采样和对所有已知侧信道的免疫,所生成的密钥可不依赖可信中继,并实现了探测设备的安全性。”潘建伟说。

  结合最新发展的量子纠缠源技术,未来卫星上可每秒产生10亿对纠缠光子,最终密钥成码率将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特。

  迈向量子互联网的重要一步

  潘建伟说,如同量子密码的提出者之一吉列斯·布拉萨德所指出的,基于纠缠的密钥分发是所有密码学家的梦想,也是其团队在继实现千公里级星地双向量子纠缠分发后努力的方向,此次取得的重要成果意味着朝向摘夺桂冠迈出了重要一步。

  潘建伟介绍:“我们在不需要任何可信中继的情况下,把量子密钥分发的实际距离从之前的100公里提高到了1120公里,突破1000公里量级。在我看来更加重要的是,即使作为量子纠缠源的卫星,是由别人制造的,是不可信的,只要按照我们这个程序来做,它产生的密钥也是安全的。”

  《自然》杂志审稿人称赞该工作“展示了一项开创性实验的结果”“这是朝向构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步,我的确认为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”。

  潘建伟表示,此次成果方案还属于实验室级别的成果,离真正实用化还有很长的路要走。“实现远距离安全量子通信,我们最理想的解决方案是全球化的基于纠缠的无中继量子密钥分发网络,也是我们在量子通信领域的最终目标,这还需要阶段性地一步一步往前走。”潘建伟说。

  据悉,基于该研究成果发展起来的高效星地链路收集技术,未来可以将量子卫星载荷重量由现有的几百公斤降低到几十公斤以下,同时将地面接收系统的重量由现有的10余吨大幅降低到100公斤左右,实现接收系统的小型化、可搬运,为将来卫星量子通信的规模化、商业化应用奠定坚实的基础。

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