中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團隊，聯(lián)合牛津大學(xué) Artur Ekert、中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇團隊以及微小衛星創(chuàng )新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團隊，利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星，在國際上首次實(shí)現千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。該實(shí)驗成果不僅將以往地面無(wú)中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數量級，并且通過(guò)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(shí)現安全的量子通信，取得了量子通信現實(shí)應用的重要進(jìn)展。6 月 15 日，研究團隊在《自然》雜志上在線(xiàn)發(fā)表了題為“基于糾纏的千公里級安全量子加密”的研究論文?！蹲匀弧冯s志發(fā)布了題為“基于衛星的遠距離安全通信”的新聞稿加以推介。

　　量子通信提供了一種原理上無(wú)條件安全的通信方式，但要從實(shí)驗室走向廣泛應用，需要解決兩大挑戰，分別是現實(shí)條件下的安全性問(wèn)題和遠距離傳輸問(wèn)題。通過(guò)國際學(xué)術(shù)界 30 余年的努力，目前現場(chǎng)點(diǎn)對點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達到了百公里量級。在現有技術(shù)水平下，使用可信中繼可以有效拓展量子通信的距離，比如世界首條量子保密通信京滬干線(xiàn)通過(guò) 32 個(gè)中繼節點(diǎn)，貫通了全長(cháng) 2000 公里的城際光纖量子網(wǎng)絡(luò );而利用“墨子號”作為中繼，在自由空間信道進(jìn)一步拓展到了 7600 公里的洲際距離。然而，盡管可信中繼將傳統通信方式中整條線(xiàn)路的安全風(fēng)險限制在有限個(gè)中繼節點(diǎn)范圍，中繼節點(diǎn)的安全仍然需要得到人為保障。例如，在星地量子密鑰分發(fā)過(guò)程中，量子衛星作為可信中繼，掌握著(zhù)用戶(hù)分發(fā)的全部密鑰，如果衛星被他方控制，就存在信息泄漏的風(fēng)險。

　　實(shí)現遠距離安全量子通信的最佳解決方案是結合量子中繼和基于糾纏的量子密鑰分發(fā)?；诩m纏的量子密鑰分發(fā)的原理是，無(wú)論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì )相應確定，這一特性可以用來(lái)在遙遠兩地的用戶(hù)間產(chǎn)生密鑰。由于對粒子的測量局域地發(fā)生在用戶(hù)端，糾纏源不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源(例如衛星)由不可信的他方提供，只要用戶(hù)間檢測到量子糾纏，就可以產(chǎn)生安全的密鑰。因此，量子通信源端不完美帶來(lái)的安全問(wèn)題可以得到完全解決，進(jìn)一步提高了量子通信的現實(shí)安全性。原理上，利用量子中繼可以實(shí)現遠距離的量子糾纏分發(fā)，但實(shí)用化的量子中繼還需要較長(cháng)時(shí)間。

　　利用衛星作為量子糾纏源，通過(guò)自由空間信道在遙遠兩地直接分發(fā)糾纏，為現有技術(shù)條件下實(shí)現基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。特別是“墨子號”在 2017 年首次實(shí)現千公里量級的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實(shí)現基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)就成為國際學(xué)術(shù)界熱切期盼的目標。

　　基于“墨子號”的前期實(shí)驗工作和技術(shù)積累，研究團隊通過(guò)對地面望遠鏡主光學(xué)和后光路進(jìn)行升級，實(shí)現了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號”過(guò)境時(shí)，同時(shí)與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個(gè)地面站建立光鏈路，以每秒 2 對的速度在地面超過(guò) 1120 公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，進(jìn)而在有限碼長(cháng)下以每秒 0.12 比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。在實(shí)驗中，通過(guò)對地面接收光路和單光子探測器等方面進(jìn)行精心設計和防護，保證了公平采樣和對所有已知側信道的免疫，所生成的密鑰不依賴(lài)可信中繼、并確保了現實(shí)安全性。結合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來(lái)衛星上可望每秒產(chǎn)生 10 億對糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過(guò)境幾萬(wàn)比特。

　　《自然》雜志審稿人稱(chēng)贊該工作“展示了一項開(kāi)創(chuàng )性實(shí)驗的結果”，“這是朝向構建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò )甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步”，“……不依賴(lài)可信中繼的長(cháng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗實(shí)現是一個(gè)里程碑”。

　　該研究工作得到了中科院、國家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。
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