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1120公裏!“墨子號”再創佳績
2020-06-28 經濟日報

  原標題:一一二○公裏!“墨子號”再創佳績

  在西藏阿里观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验(合成照片)。 新华社记者 金立旺摄

  1120公裏!近日,“墨子號”量子科學實驗衛星再立新功:科學家們利用“墨子號”作爲量子糾纏源,向遙遠的兩地分發量子糾纏,在國際上首次實現了千公裏級基于糾纏的量子密鑰分發——爲量子通信走向現實應用奠定了重要基礎。

  近日,科學家們利用“墨子號”在國際上首次實現了千公裏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,更重要的是,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,依然能夠實現安全的量子通信,爲量子通信走向現實應用奠定了重要基礎。

  該實驗由中國科學技術大學潘建偉及其同事,聯合牛津大學阿圖爾·埃克特、中國科學院上海技術物理研究所王建宇團隊、微小衛星創新研究院、光電技術研究所等相關團隊一起完成。該成果已于近日在線發表在國際頂級學術期刊《自然》雜志上。

  無條件安全的量子通信

  量子是構成物質的最基本單元,是能量的基本攜帶者,無法被分割和複制。對于人們來說,所有大家所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子,都統稱爲量子。通常,光子被用來制備量子。

  所謂量子密鑰分發,簡單說,即在遙遠兩地的用戶間生成並安全共享一組量子密鑰,爲所傳輸的二進制信息加密。這種量子通信方式之所以被科學家們寄予厚望,是因爲除了信息的發送、接收方,如果有第三方試圖複制或竊聽量子密鑰,則通信的雙方便會立刻察覺。

  這一新型通信方式的實現,正是基于量子疊加和不可複制的特性。根據經典物理學,一個客體,比如貓,其狀態只有兩種,要麽是生,要麽是死。但在量子世界中,這只貓卻可以處于又生又死的疊加狀態。不過,這種疊加態極其脆弱,一旦有人去測量,其狀態(又生又死)馬上就會發生改變,而不再是原來的那只貓了。換句話說,如果有人試圖竊聽量子密鑰,需要事先測量傳送密鑰的量子狀態,然而,脆弱的疊加態導致量子自身一旦被測量或者複制,就會立刻改變原有狀態,從而被通信雙方察覺。

  “量子通信克服了經典加密技術內在的安全隱患,因爲其安全性不依賴于計算複雜度,這是在原理上無條件安全的一種通信方式,一旦存在竊聽必然被發現。”潘建偉說。

  在潘建偉看來,量子密鑰分發,就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人,需要把存放秘密的箱子與一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子,才能取到秘密。沒有這把鑰匙,別人無法打開箱子,而一旦這把鑰匙被別人動過,傳送者就會立刻發現——原有鑰匙會作廢,再給一把新的鑰匙,直到確保接收方本人拿到。

  “量子技術,其基本概念就是利用量子物理定律操縱微觀物質,比如原子、分子和電子,從而獲得宏觀物質世界無法實現的功能,其中的量子密碼學正是這篇論文所涉及的關鍵。理論上,經過量子加密的通信是無法被竊聽的。”自然集團副總裁楊曉虹表示。

  實際應用面臨挑戰

  理想很丰满,现实很骨感。原理上無條件安全的量子通信,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。

  以信號損耗爲例。科學家們一般使用單光子作爲物理載體來傳輸密鑰,但因爲單光子信號不能被放大,再加上傳輸信道——光纖對單光子的吸收,隨著傳輸距離的拉長,單光子信號損耗呈指數增長。通過30余年堅持不懈的努力,如今,國際學術界在實驗室中將點對點光纖量子密鑰分發的距離提高到了500公裏。

  如何實現更遠距離的量子通信?使用可信中繼是一個行之有效的方法。什麽是可信中繼?潘建偉認爲可以理解爲“接力跑”:單光子在光纖中從a地要跑到b地,可跑著跑著沒力氣了,這時就可以設置個值得信賴的節點讓密鑰“落地”一下,再由其他光子接著向前跑。比如,利用“墨子號”作爲中繼,中國科學家在自由空間信道實現了7600公裏的洲際通信。

  “理論上講,只要沒有人爬到衛星上去竊聽,那麽,我們的通信就是安全的。但是,這些中繼節點的安全仍然需要得到人爲保障。”潘建偉舉了個例子:如果人們使用衛星作爲中繼節點,衛星就掌握著用戶分發的全部密鑰。如此一來,便帶來了另外一個問題:假如這個衛星是別國制造的,就可能會存在信息泄露的風險。

  那麽,如何避免這一可能存在的潛在風險?2017年,“墨子號”首次實現千公裏量級的自由空間量子糾纏分發,圓滿完成了既定科學目標。此時,潘建偉萌生了一個新的想法:發射一顆衛星花了不少經費,可不可以嘗試一下利用“墨子號”作爲量子糾纏源,而不是量子密鑰的中繼點,實現基于糾纏的遠距離量子密鑰分發?

  基于糾纏的量子密鑰分發的原理是,無論處于糾纏狀態的兩個粒子之間相隔多遠,只要測量了其中一個粒子的狀態,另一個粒子的狀態也會相應確定。“利用這一特性,我們可以在遙遠兩地的用戶間直接生成並安全共享一組量子密鑰,爲所傳輸的二進制信息加密。”潘建偉表示。

  實現安全通信重要一步

  向著科學的高峰努力奔跑,基于“墨子號”量子衛星的前期實驗工作與技術積累,研究團隊通過對地面望遠鏡主光學與後光路進行升級,實現了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。

  有了技術的支撐,“墨子號”量子衛星過境時,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對光子的速度在地面超過1120公裏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比特的最終碼速率産生密鑰。

  “在該實驗中,衛星作爲量子糾纏源,只負責分發量子糾纏,不掌握量子密鑰的任何信息;用戶間的密鑰是通過量子糾纏直接産生的,不再需要衛星的中轉。”潘建偉說,由于對糾纏粒子的測量最後是由用戶端來進行,根據量子糾纏特性,即使糾纏源由不可信的他方提供,只要用戶間最終檢測到量子糾纏,就可以産生安全的密鑰。所以,量子通信源端不完美帶來的安全問題可以得到完全解決,最終確保了量子通信的現實安全性。

  對此,《自然》雜志審稿人稱贊該工作,“不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發協議的實驗實現是一個裏程碑。”潘建偉坦言,剛發射“墨子號”衛星時,自己也不敢幻想能取得今天的成果,一路“邊走邊下蛋”,最終有了這一重要科研突破。“然而,這次科研成果目前只是科學上的原理演示,距離實際應用仍有很長的路要走。”潘建偉說。

  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。(记者 沈慧)

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