中國科學技術大學潘建偉院士研究團隊，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇等相關團隊，利用“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子密鑰分發。該實驗成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數量級，并且通過物理原理確保了即使在衛星被他方控制的極端情況下依然能實現安全的量子通信，取得了量子通信現實應用的重要突破。6月15日，國際著名學術期刊《自然》雜志在線發表了這一研究成果。
潘建偉表示，基于該研究成果發展起來的高效星地鏈路收集技術，可以將量子衛星載荷重量由現有的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時將地面接收系統的重量由10余噸大幅降低到100公斤左右，實現接收系統的小型化、可搬運，為將來衛星量子通信的規模化、商業化應用奠定堅實的基礎。
“實現信息安全，是人類的夢想。而所有依賴于計算復雜度的經典加密算法原理上都會被破解。”潘建偉表示，量子通信提供了一種原理上安全的通信方式，但要從實驗室走向廣泛應用，需要解決兩大挑戰，分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。
量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離增加而增加。潘建偉說，由于信號損耗，使用光纖分發量子密鑰有一個距離的上限，通過國際學術界30余年的努力，目前將現場點對點分發量子密鑰的安全距離提高到了百公里量級。
要實現更遠距離的量子密鑰分發，一個可行的方案是使用可信中繼。可信中繼可理解為“接力跑”。比如，世界首條量子保密通信京滬干線通過32個中繼節點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網絡。
不過，盡管可信中繼將傳統通信方式中整條線路的安全風險限制在有限的中繼節點范圍，但中繼節點的安全仍然需要得到人為保障。例如，在星地量子密鑰分發過程中，量子衛星作為可信中繼，掌握著用戶分發的全部密鑰，可如果衛星被他方控制，就存在信息泄露風險。
研究團隊通過對地面望遠鏡升級，在“墨子號”量子衛星過境時，使其同時與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路，以每秒2對的速度在地面超過1120公里的兩個站之間建立量子糾纏，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。在實驗中，衛星作為糾纏源，只負責分發糾纏，不掌握密鑰的任何信息;而用戶間的密鑰是通過糾纏直接產生的，不再需要衛星中轉。
《自然》雜志審稿人稱贊該工作是邁向構建全球化量子密鑰分發網絡甚至量子互聯網的重要一步。在潘建偉看來，這一最新研究將無中繼的量子密鑰分發距離首次突破1000公里，是一大重要突破;更重要的意義在于，即使衛星被他方控制也能夠產生安全的密鑰。
據了解，“墨子號”研究團隊迄今已在《自然》及《科學》雜志發表了5篇研究論文，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。(記者 沈慧)
關鍵詞： 量子通信
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