“墨子”再次惊讶于加班服务；HKUST潘剑伟团队在量子通信领域取得重要突破

基于纠缠的非中继千公里量子保密通信实验示意图

在实现“无条件、安全”的交流方面，世界上很少有人比中国科学院院士、中国科技大学教授潘剑伟更执着。即使是那些已经扩展了服务的卫星，他也必须“吃得干干净净”。

6月15日，英国杂志《自然》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。潘剑伟团队与牛津大学教授阿图尔埃克特、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员王建宇团队、中国科学院微卫星创新研究所、中国科学院光电技术研究所等相关团队，首次利用墨子量子科学实验卫星实现了基于纠缠的量子密钥分发。

实验结果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离增加了一个数量级，而且保证了即使在卫星通过物理原理被其他方控制的极端情况下也能实现安全的量子通信，成为量子通信实际应用中的一个重要突破。

“信息岗位”的隐患

量子通信原则上提供了一种无条件的安全通信方法，但要从实验室走向广泛应用，需要解决两个挑战，即真实条件下的安全问题和远距离传输问题潘剑伟说道。

经过国际学术界30多年的努力，目前点对点光纤量子密钥分发在现场的安全距离约为100公里，而在实验室中可以达到500公里。

然而，如果我们想进行更长距离的量子通信，我们只能使用“信息中继站”。使用可靠的中继，人们可以有效地扩大量子通信的距离。

例如，通过32个中继节点的连接，世界上第一条量子安全通信“北京-上海干线”穿过2000公里的城际光纤量子网络。利用墨子作为中继，中国科学家在自由空间通道上实现了7600公里的洲际通信距离。

“理论上，量子通信线路是安全的，但这些中继节点的安全仍需要人为保证。”潘建伟说，例如，如果人们使用量子卫星作为中继节点，卫星将持有用户分发的所有密钥。一旦卫星被其他方控制，仍然会有信息泄露的风险。

2017年，墨子成功实现了3335.4万公里的量子纠缠分布、量子密钥分布和量子隐形传态这三个既定的科学目标后，本应光荣退役，但潘剑伟一直认为这颗先进的科学卫星可以做得更多。

“发射卫星不容易。我们想尝试一下，如果用墨子代替中继点作为纠缠源来生成安全密钥，那么就有可能解决量子通信源不完善所带来的安全问题。”潘剑伟告诉《中国科学报》。

“老兵”的新任务

在潘剑伟的思想中，利用卫星作为量子纠缠的来源，纠缠通过自由空间信道直接分布在两个遥远的地方，这为在现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通信提供了一条可行的途径。

2017年，自墨子第一次实现1000公里量级的自由空间量子纠缠分布后，实现基于纠缠的长距离量子密钥分配成为国际学术界的热切目标。

理论上，基于纠缠的量子密钥分配原理是，无论粒子之间的纠缠有多远，只要测量一个粒子的状态，另一个粒子的状态就会相应地被确定。这样，将在两个远程位置的用户之间生成一个密钥。

由于粒子的测量发生在用户端，纠缠源不包含任何密钥信息。即使纠缠

然而，如果科学家想让天空中的卫星做更多的工作，他们需要在地面上做大量的准备工作。在前期实验工作和技术积累的基础上，研究团队对地面望远镜的主光路和后光路进行了升级，实现了单边双面和双边四重接收效率的提高。

当墨子通过边境时，它同时与相距1120公里的两个地面站建立了光学联系：新疆的乌鲁木齐南山站站和青海的德令哈站。在两个站之间以每秒2对光子的速度建立量子纠缠，并且在有限的编码长度下以每秒0.12比特的最终编码速率产生密钥。

“在实验中，我们精心设计并保护了地面接收光路和单光子探测器，以确保公平采样和对所有已知边通道的免疫力。生成的密钥不依赖于可信中继，并确保真正的安全性。”王建宇说。

“边走边下蛋”

《自然》杂志的评论者评论说，这项工作“展示了一项开创性实验的结果，这是建立全球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实验的完成是一个里程碑。”

“当墨子最初被设计出来时，我们没想到会做这个实验。目前，这一成果只是一个理论科学实验，暂时没有实用价值。”虽然潘剑伟把自己的工作描述为“边走边下蛋”，但事实上，他已经在考虑下一步该做什么了。

例如，基于该研究成果开发的高效星地链路收集技术，可以将量子卫星的负载重量从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从10吨以上大幅降低到100公斤左右，从而实现了接收系统的小型化和可移植性，为未来卫星量子通信的大规模商业化应用奠定了坚实的基础。

结合量子纠缠源技术的最新发展，潘建伟预测未来卫星每秒钟可产生10亿对纠缠光子，最终密钥生成速率将提高到每秒几十位或每程数万位，从而实现实用的量子保密通信。

尽管还有很长的路要走，但这一研究成果仍然是在现实条件下实现安全、长距离量子保密通信的重要突破。正如量子密码的支持者之一吉尔布拉萨尔所说，“这将最终实现数千年来所有密码学家的梦想”。