“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现     DATE: 2020-06-25 22:06

最近,中外科学家研究团队等共同利用中国“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,取得了量子保密通信现实应用的重要突破。6月15日,研究团队在国际著名学术期刊《自然》杂志上在线发表了相关研究论文。

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。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。在现有技术水平下,使用可信中继可以有效拓展量子通信的距离,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。

然而,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,如果卫星被他方控制,就存在信息泄漏的风险。

中科院院士、中国科技大学教授潘建伟介绍,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。“基于纠缠的量子保密通信,不需要用中继器的远距离量子通信,可以实现量子密钥分发的终极安全性。因为在这个过程当中,只要在‘张三’‘李四’这里产生纠缠,中间所谓量子中继都只负责纠缠的分发,它是不会掌握有密钥的信息的。在这种情况下,即使这些中间的站点有都是被不可信的设备所操作,只要最后‘张三’和‘李四’能够确认有纠缠的存在,就能够产生安全的密钥。”

潘建伟说,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。特别是“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热切期盼的目标。

最近,潘建伟院士团队联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队,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。潘建伟说:“第一个,我们在不需要任何中继的情况下,量子密钥分发的实际距离把从前的100公里突破到了1000公里量级,这次是1120公里。另外一个更加重要的是,即使是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。而且结合我们目前最新发展的量子纠缠源的技术,它是有实用价值的。”

相关研究成果已于6月15日发表在了国际著名学术期刊《自然》杂志上。该杂志一位审稿人称赞这是一项开创性的实验结果。他说,该研究成果是现实条件下实现安全、远距离量子保密通信的重要突破,如同沃尔夫物理学奖获得者、量子密码的提出者之一吉列斯-布拉萨德所指出的,“这将最终实现所有密码学者千年来的梦想。

中科院院士潘建伟还表示,基于该研究成果发展起来的高效星地链路收集技术,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、商业化应用奠定了坚实的基础。