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“墨子号”超期服役再获惊喜 潘建伟团队实现量子通信重要突破

2020-06-16 10:17:00来源:

基于纠缠的无中继千公里量子保密通信实验示意图  中科大供图

  基于纠缠的无中继千公里量子保密通信实验示意图  中科大供图

  来源:中国科学报

  在实现“无条件安全”通信方面,这世界上可能很少有人比中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟更加执着——即使是超期服役的卫星,他也要“吃干榨净”。

  6月15日,英国《自然》杂志在线发表了一篇题为《基于纠缠的千公里级安全量子加密》的研究论文。潘建伟团队联合英国牛津大学教授Artur Ekert,中科院院士、中科院上海技术物理研究所研究员王建宇团队,中科院微小卫星创新研究院,中科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,在国际上首次实现了基于纠缠的千公里级量子密钥分发。

  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,成为量子通信向现实应用的重要突破。

  “信息驿站”的安全隐患

  “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。”潘建伟说。

  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,而实验室里则能达到500公里。

  可要想进行更长距离的量子通信,就只能使用“信息驿站”了。利用可信的中继,人们可以有效地拓展量子通信的距离。

  例如,通过32个中继节点相连接,世界首条量子保密通信“京沪干线”贯通了全长2000公里的城际光纤量子网络;而利用“墨子号”作为中继,中国科学家已经在自由空间信道实现了7600公里的洲际通信距离。

  “从理论上讲,量子通信线路是安全的,但这些中继节点的安全性,还需要得到人为的保障。”潘建伟举例说,假如人们使用量子卫星来作为中继节点,卫星就掌握着用户分发的全部密钥,一旦卫星被他方控制,仍然会有信息泄露的风险。

  2017年,“墨子号”圆满实现了既定的三大科学目标——千公里级的量子纠缠分发、量子密钥分发及量子隐形传态后,按说可以“光荣退休”了,可潘建伟总觉得,这颗先进的科学卫星还能做更多的事。

  “发一颗卫星不容易。我们想尝试一下,如果把‘墨子号’作为纠缠源,而不是中继点,去产生安全的密钥,那么就有可能解决由量子通信源端不完美带来的安全问题。”潘建伟告诉《中国科学报》。

  “老兵”的新任务

  在潘建伟的构想中,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路径。

  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后,实现基于纠缠的远距离量子密钥分发,就成了国际学术界热切期盼的目标。

  从理论上说,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。这样,在遥远两地的用户之间,就会产生密钥。

  由于对粒子的测量局域地发生在用户端,纠缠源并不掌握密钥的任何信息,即使纠缠源由不可信的他方提供,只要用户间能够检测到量子纠缠,就仍然可以产生安全的密钥。

  不过,想让天上的卫星干更多活,科学家需要在地面上做许多准备。基于前期的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”卫星过境时,同时与相隔1120公里的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对光子的速度在两个站之间建立起了量子纠缠,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,我们通过对地面接收光路和单光子探测器等方面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,所生成的密钥不依赖可信中继,并确保了现实安全性。”王建宇说。

  “边走边下蛋”

  《自然》杂志审稿人评论称,该工作“展示了一项开创性实验的结果,这是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的完成是一个里程碑”。

  “最初设计‘墨子号’的时候,我们也没想到能做这个实验。目前这个成果也只是原理性的科学实验,暂时还没有实用价值。”虽然潘建伟形容自己的工作是“边走边下蛋”,但实际上,他已经在构思下一步棋该如何下了。

  比如,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、商业化应用奠定坚实的基础。

  结合最新发展的量子纠缠源技术,潘建伟预计,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,从而实现可以实用化的量子保密通信。

  尽管还有很长的路要走,但这项研究成果仍然是现实条件下实现安全、远距离量子保密通信的一项重要突破。正如量子密码的提出者之一Gilles Brassard所说的那样,“这将最终实现所有密码学者千年来的梦想”。

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