國際首次!中科大潘建偉團隊新突破,千公裡級量子密鑰分發,通信安全...

量子保密通信的現實安全性又邁進了一大步！

由中科大潘建偉團隊主導的量子通信研究實現了重要突破，主要表現於兩個方面：

一是首次通過物理原理確保了衛星傳輸密鑰的安全問題；

二是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，實現了 1120 公裡無中繼糾纏量子密鑰分發；這同時也是國際上首次實現基於糾纏的千公裡級量子密鑰分發。

研究成果現已在《Nature》雜誌發表，題為「Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres」《基於糾纏的千公裡級安全量子加密》。

首次實現千公裡級基於糾纏的量子密鑰分發

量子密鑰分發（Quantum key distribution，QKD），是一種在遠程用戶之間共享密鑰的安全方法。

在理論上，量子通信提供了一種無條件安全的通信方式。但要走向應用，則存在著兩大亟需解決的問題——現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。

經過科學界 30 多年的研究，在地球上的各個站之間產生量子密碼學連結的最大距離約為 144 公裡，在實驗室則可以達到 500 公裡。

如果想要實現更長距離的量子通信，則需藉助「信息驛站」，例如藉助衛星充當地面站的可信中繼，以此增加量子鏈路的長度。

不過，中繼節點的安全性是需要人為保障的。一旦信息驛站被劫持，或被他方控制，則存在信息洩露的風險。

由此，潘建偉團隊尋求出新的解決方案，即「不依賴可信中繼」。

潘建偉向《中國科學報》表示：

如果把「墨子號」（原作為中繼的量子衛星）作為糾纏源，而不是中繼點，去產生安全的密鑰，那麼就有完全解決量子通信源端的不完美帶來的安全問題。

從理論層面上看，基於量子糾纏的量子密鑰分發的原理是讓用戶之間通過量子糾纏直接產生密碼，糾纏源不掌握密鑰的任何信息，以此從根本上解決量子通信源端的安全問題。

也就是說，即使衛星被劫持，亦或是設備遭到控制，基於糾纏的量子密鑰也依舊是安全的。

雷鋒網註：圖源中國科學院

在此次實驗中，潘建偉團隊是在相距 1120km 的青海德令哈站與新疆南山站之間進行，每個站點都有專門為量子實驗設計的 1.2 米寬的新建望遠鏡。

為了提高量子密碼鏈路的效率，研究人員將重點放在改進用於獲取、定向和跟蹤衛星和地面站目標的系統上。

不僅如此，研究人員還致力於提高地面鏡片和其他光學設備的接收和收集效率。

最終，該研究實驗將雙光子分布的鏈路效率提高了近 4 倍，以每秒 2 對光子的速度在兩個站之間建立起了量子糾纏，以每秒 0.12 比特的最終碼速率產生密鑰。

無疑，這一研究成果是量子通信領域裡程碑式的進步。

《自然》雜誌審稿人評論稱：

（這一工作）展示了一項開創性實驗的結果，這是構建全球化量子密鑰分發網絡甚至量子網際網路的重要一步。我認為，不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發協議的實驗的完成是一個裡程碑。

不僅如此，該研究成果還得到了行業人員的認可。

沃爾夫物理學獎獲得者、量子密碼的提出者之一吉爾斯·布拉薩德表示：

這將最終實現所有密碼學者千年來的夢想。

「墨子號」，老將新用

前面提到，要實現長距離的量子通信需要藉助中繼點，而量子衛星就是作為中繼的可用途徑之一。

按照潘建偉院士的說法，如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的「網」，那麼量子科學實驗衛星就像一桿將這張網射向太空的「標槍」。

而在此次研究實驗中，「墨子號」便是原作為中繼的量子衛星。

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)註：圖為「墨子號」量子科學實驗衛星概念圖

2016 年 8 月 16 日，全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」的升空，它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，並將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。

實際證明，墨子號不僅完成了它的使命，而且達到了超乎預期的成效。

2017 年，「墨子號」不僅圓滿完成了 4 個月的在軌測試任務，還取得了多項新成果，包括首次實現千公裡量級的量子糾纏、首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。

至此，在 2017 年，「墨子號」就圓滿實現預先設定的三大科學目標。

到了 2018 年 1 月，「墨子號」首次實現北京與維也納之間相距 7600 千米的洲際量子保密通信，標誌著「墨子號」已具備實現洲際量子保密通信的能力。

值得一提的是，「墨子號」的原設計壽命僅有 2 年，而今已在軌運行 3 年 10 個月，並還將繼續服役。

中國研究人員在 2019 年 2 月 表示，「墨子號」量子科學實驗衛星預計將超出預期壽命、繼續工作至少 2 年以上，並展開更多國際合作。

也就是說，「墨子號」至少還將服役至 2021 年。

潘建偉，何許人也？

在中國量子信息領域，潘建偉是不可或缺的關鍵性人物。

潘建偉，有「量子之父」之稱，是「墨子號」的首席科學家。主要從事量子物理和量子信息等方面的研究，是國際上量子信息實驗研究領域開拓者之一，同時也是該領域具有重要國際影響力的科學家。

縱覽潘建偉院士的履歷，只能驚嘆，非常人所及。

在《基於糾纏的千公裡級安全量子加密》之前，潘建偉就曾多次在國際期刊上發表研究論文。

• 2012 年 5 月，潘建偉在《現代物理評論》上發表題為「Multiphoton entanglement andinterferometry」《多光子糾纏和幹涉度量學》論文。這是中國科學家在該刊物的首篇實驗論文，並且該文章獲得了 2015 年度國家自然科學一等獎（中國自然科學領域的最高獎項）；

• 2013 年 9 月 ，潘建偉團隊與加拿大研究組合作的研究成果《利用測量器件無關量子密鑰分發解決量子黑客隱患》發表於《物理評論快報》。不僅如此，《科學》雜誌、《物理》雜誌等刊物也進行了專題報導。

• 2014 年 11 月，潘建偉及其它研究人員將可以抵禦黑客攻擊的遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至 200 公裡，並將成碼率提高了 3 個數量級，創下世界紀錄，該成果發表於《物理評論快報》。

• 2015 年 2 月 26 日，《Nature》以封面標題的形式發表了潘建偉參與的研究論文《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態》(Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon)。

      ·······

而就在今年，潘建偉又再次創下了世界紀錄。潘建偉、包小輝團隊在實驗室中實現了長距離的量子糾纏，兩種實驗方案分別實現了 22 公裡和 50 公裡的量子糾纏。

基於其學術成就，潘建偉也多次得到了國內外認可，獲獎無數。

早在 2001 年，潘建偉就入選「中科院引進國外傑出人才」；2017 年榮獲「物質科學獎」；入選《自然》2017 十大科學人物；2018 年入選 100 名改革開放傑出貢獻對象；2020 年 獲得「2020 年蔡司研究獎」······

在國際上，潘建偉依然是備受肯定。2019 年 1 月，潘建偉團隊獲得了 2018 年度克利夫蘭獎；這同時也是克利夫蘭獎設立 90 年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得該榮譽。 

如此成就，只能像網友那般，默默豎起大拇指了。

雷鋒網註：圖片截自微博

參考資料：

【1】https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y

【2】http://dzb.whb.cn/2020-06-16/7/detail-687613.html

【3】http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/6/441474.shtm

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