如何实现更远距离的量子通信？

近日，“墨子号”量子科学实验卫星再立新功：科学家们利用“墨子号”作为量子纠缠源，向遥远的两地分发量子纠缠，在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发——为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。

近日，科学家们利用“墨子号”在国际上首次实现了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，更重要的是，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，依然能够实现安全的量子通信，为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。

该实验由中国科学技术大学潘建伟及其同事，联合牛津大学阿图尔·埃克特、中国科学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。该成果已于近日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。

无条件安全的量子通信

量子是构成物质的最基本单元，是能量的基本携带者，无法被分割和复制。对于人们来说，所有大家所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都统称为量子。通常，光子被用来制备量子。

所谓量子密钥分发，简单说，即在遥远两地的用户间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。这种量子通信方式之所以被科学家们寄予厚望，是因为除了信息的发送、接收方，如果有第三方试图复制或窃听量子密钥，则通信的双方便会立刻察觉。

这一新型通信方式的实现，正是基于量子叠加和不可复制的特性。根据经典物理学，一个客体，比如猫，其状态只有两种，要么是生，要么是死。但在量子世界中，这只猫却可以处于又生又死的叠加状态。不过，这种叠加态极其脆弱，一旦有人去测量，其状态（又生又死）马上就会发生改变，而不再是原来的那只猫了。换句话说，如果有人试图窃听量子密钥，需要事先测量传送密钥的量子状态，然而，脆弱的叠加态导致量子自身一旦被测量或者复制，就会立刻改变原有状态，从而被通信双方察觉。

“量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患，因为其安全性不依赖于计算复杂度，这是在原理上无条件安全的一种通信方式，一旦存在窃听必然被发现。”潘建伟说。

在潘建伟看来，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与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，而一旦这把钥匙被别人动过，传送者就会立刻发现——原有钥匙会作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。

“量子技术，其基本概念就是利用量子物理定律操纵微观物质，比如原子、分子和电子，从而获得宏观物质世界无法实现的功能，其中的量子密码学正是这篇论文所涉及的关键。理论上，经过量子加密的通信是无法被窃听的。”自然集团副总裁杨晓虹表示。

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。

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。

对此，《自然》杂志审稿人称赞该工作，“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。”潘建伟坦言，刚发射“墨子号”卫星时，自己也不敢幻想能取得今天的成果，一路“边走边下蛋”，最终有了这一重要科研突破。“然而，这次科研成果目前只是科学上的原理演示，距离实际应用仍有很长的路要走。”潘建伟说。

关于下一步的发展，他说，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。届时，安全的量子通信的梦想将有望照进现实。
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