潘建伟团队的人类首次洲际量子通信圆满完成

世界首颗量子通信实验卫星完成目标；世界首条量子保密通信“京沪干线”开通；世界首次洲际量子通信……在过去一年里，中国科学技术大学潘建伟团队带领“中国队”迅速走到了量子通信的前沿领域。

1月19日，中国科学技术大学披露了首次洲际量子通信的更多技术细节。通过“墨子号”的中继，相距7600公里的中国和奥地利完成量子保密通信。

北京向维也纳发送了一张大小5.34kB的“墨子号”照片，而维也纳则向北京发送了一张大小4.9kB的薛定谔照片，使用一段80kbit的量子密钥进行一次性加密。

这次量子保密通信与潘建伟的博士导师、奥利地科学院Anton Zeilinger教授合作完成。“墨子号”向北京附近的兴隆地面站和维也纳附近的格拉茨（Graz）地面站进行了量子纠缠分发，与两个地面站间各自产生一段密钥。接着，按照地面指令，“墨子号”给两段密钥进行逐位异或运算，将结果发送给其中一个地面站，由此，中欧两个距离长达7600公里的位点之间建立了密码。

此外，中国科学院还与奥地利科学院进行了洲际量子保密视频会议，采用128位高级加密标准（每秒刷新128位种子密钥表）。视频会议持续了75分钟，共传输约2GB数据，中奥双方交换了一段560kbit的量子密钥。

传统的公钥密码系统依赖特定数学函数的计算难度，但理论上都可以被破解。相反，量子密钥分发是迄今唯一被严格证明无条件安全的加密方式。通信者用量子叠加态对信息进行加密，而基于量子不可复制原理，任何窃听行为都会对整个通信系统造成干扰。

经过十多年的实验探索，潘建伟团队将量子纠缠分发距离从十几公里拓展到404公里，实现了世界上最远距离的点到点光纤密钥分发，可以满足城际量子通信的需求。

不过，光纤或地面自由空间传输的损耗较大，量子通信距离仅限于数百公里。为了实现地球上任意两点间的量子通信，利用“天地链路”是个可行的方案。光子在地面与卫星间传输时，经过的距离绝大多数是真空，产生的损耗和退相干程度可以忽略不计。

潘建伟团队在2016年8月将世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”送上500公里高的近地轨道。与“墨子号”进行合作实验的5个地面站也相继落成，分别位于河北兴隆、新疆南山、青海德令哈、云南丽江和西藏阿里。

2017年，潘建伟团队宣布“墨子号”在一年时间内圆满完成三大科学目标：超过1200公里的星地诱骗态量子密钥分发；距离1200公里的星地量子纠缠分发和贝尔态测量；地星量子隐形传态。

这三个突破性的实验是搭建全球量子通信网络的基石。结果证实，针对1200公里的量子密钥分发，卫星链路效率比光纤高出了20多个数量级。

如今，地面“京沪干线”和天上的“墨子号”星地链路已经进行了整合。2017年9月底，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通，全长2000公里，贯穿济南和合肥。而兴隆地面站通过光纤接入了北京的多个量子通信网点。政府机构、银行和保险公司正通过实际应用测试量子通信骨干网络。