「隔空傳物」一度是我們幻想中存在的一種完美通信方式，但幾年前的「量子通信」已將它變成現實。之後研究人員通過使用可信「中繼節點」，又有效拓展了量子通信的安全距離。
近日，在線發表在《自然》雜誌上的一篇《基於糾纏的千公裡級安全量子加密》的研究論文又告訴我們，人類已首次實現千公裡級的基於量子糾纏效應的量子密鑰分發――即量子通信已能實現「安全的千公裡無中繼節點地隔空傳物」。最神奇的是，這種信息傳遞中，即便傳遞信息的衛星遭遇劫持，依然能確保安全通信。
亮點一：千公裡傳遞無中繼
本次實驗成果來自於中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團隊，同時聯合了牛津大學ArturEkert、中科院上海技術物理研究所王建宇團隊以及微小衛星創新研究院、光電技術研究所等相關團隊。他們利用「墨子號」量子科學實驗衛星，在國際上首次實現千公裡級基於糾纏的量子密鑰分發。
我們這裡所說的量子通信，正是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是基於量子糾纏態的理論，使用量子隱形傳態（傳輸）的方式來實現信息傳遞的。它的確提供了一種原理上無條件安全的通信方式。但要從實驗室走向廣泛應用，這一技術仍需要解決兩大挑戰，分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。
之前的技術支持，已通過可信的「中繼節點」來有效拓展了量子通信的距離，比如世界首條量子保密通信京滬幹線通過32個「中繼節點」，貫通了全長2000公裡的城際光纖量子網絡。而利用「墨子號」衛星作為「中繼節點」，研究團隊已在2017年首次實現千公裡量級的自由空間量子糾纏分發，進而將自由空間信道進一步拓展到了7600公裡的洲際距離。
亮點二：衛星被劫也能保密
此次公布的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，還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，依然能實現安全的量子通信，取得了量子通信現實應用的重要進展。
在拓展通信距離過程中，儘管「可信中繼」能將傳統通信方式中整條線路的安全風險限制在有限個「中繼節點」範圍內，但「中繼節點」的安全仍然需要得到人為保障。例如，在衛星與地面的量子密鑰分發過程中，量子衛星作為「可信中繼」，掌握著用戶分發的全部密鑰，如果衛星被他方控制，就存在信息洩露的風險。
現在，研究人員發現，只要糾纏源（例如衛星）不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源由不可信的他方提供，位於有效測量局域地的用戶端一樣可以通過檢測到的量子糾纏狀態，產生安全的密鑰。也就是說，在通過「墨子號」完成信息傳遞時，可以不將它作為「中繼節點」來使用，而是讓它作為一個「量子糾纏源」，只負責「分發糾纏」，它不需要掌握任何密鑰信息，這樣就算是它被劫持，也不用擔心有任何資料會被洩露。
研究團隊表示，結合最新發展的量子糾纏源技術，未來衛星可望每秒產生10億對糾纏光子，最終的密鑰成碼率也將提高到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特。
難怪《自然》雜誌審稿人稱讚該工作「展示了一項開創性實驗的結果」，「……不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發的實現，堪稱『裡程碑』」。
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責任編輯：cdl