中國在天基量子通信領域取得新的裡程碑

照片顯示了在中國北方河北省興隆市的量子衛星「 Micius」與量子通信地面站之間建立的衛星與地球的連接

中國衛星Micius在2016年的發射本來可以看作只是對已經繞地球運行的2700多種儀器的一次補充。但是，專門致力於量子信息科學的米丘斯可以說是美國在物理學前沿的大國競爭中的領先者。這顆衛星是中國科學技術大學物理學家潘建偉的創造力，它幫助他和他的同事取得了一些突破性的成果，使曾經深奧的量子密碼學領域成為主流。潘的團隊在6月15日《自然》雜誌上發表的一篇新論文中介紹了一種使用Micius的安全的量子消息傳遞方法。這一成就使世界（或至少是中國）距離實現真正不可破解的全球通信距離更近了一步。

2017年，該團隊與奧地利的一組研究人員一起，能夠利用該衛星在北京和維也納之間進行全球首次量子加密的虛擬電話會議。儘管這是一個巨大的裡程碑，但這種方法並不是防止黑客入侵的安全措施。Micius本身就是弱點：衛星「知道」每個位置的光子序列或密鑰，以及用於解密的組合密鑰。如果以某種方式仔細監視了間諜的活動，則電話會議的完整性可能會受到損害。

為了克服這個問題，潘和他的同事們的新示威活動確保了米丘斯不會「知道」任何事情。訣竅是避免使用衛星作為通信中繼。取而代之的是，該團隊僅依靠它同時傳輸一對秘密密鑰，從而允許相距1120多公裡的中國兩個地面站建立直接連結。潘說：「我們不需要信任衛星。」 「因此，任何人都可以製造衛星，甚至可以由您的敵人製造。」 每個秘密密鑰都是兩串糾纏的光子對之一。量子物理學定律規定，任何暗中監視此類傳輸的嘗試都不可避免地會留下類似錯誤的覆蓋區，任何一個站的接收者都可以輕鬆地檢測到。

這是首次使用衛星演示了這種稱為「基於糾纏的量子密鑰分配」的技術。（2017年的測試還分配了量子密鑰。但是，它沒有同樣程度地利用糾纏。）「發射衛星時，這是一個巨大的裡程碑，」安大略省威爾弗裡德·勞裡爾大學的物理學家Shohini Ghose說。沒有參與這項新研究。「但是（研究人員）沒有實際使用該糾纏來進行密鑰分發所需的錯誤檢測率水平。」

錯誤檢測率至關重要，因為區分真實錯誤和類似於竊聽的錯誤足跡對於安全至關重要。此外，高速率可能意味著兩個地面站接收的密鑰彼此不同，這種情況將導致無法進行安全通信。為了提高通信系統的保真度，科學家們致力於提高監視Micius傳輸的兩個地面站中每一個的望遠鏡的聚光效率-更新濾波系統和光學組件，以達到量子通信所需的必要的低錯誤率。密鑰分配。

即使這是第一次通過衛星進行基於糾纏的量子密鑰分配，也已經成功進行了基於地面的實驗。但是，在基於地面的量子通信中，連接兩個位置的光纖會吸收透射的光子，並且吸收率會隨著距離的增加而增加。沿著光纖放置的「受信任節點」對密鑰進行解密和重新加密，以延長密鑰傳輸距離。但是就像2017年演示中的Micius一樣，這些中介中的每一個都擁有所有的量子密鑰，因此容易受到黑客攻擊。儘管稱為量子中繼器的原型設備提供了更好的安全性，但該技術還不夠先進，無法實用。相比之下，由於來自衛星的信號大部分時間都是在空曠的地方傳播，

這種情況並不意味著基於衛星的系統天生就比基於地面的系統更好。「這是一種蘋果和橙子，」伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的物理學家保羅·科威特說，他也沒有參與這項研究。「衛星有兩個問題。其中之一是，目前沒有多少[量子研究]衛星在飛行。第二，這些衛星並不總是停在您想要的望遠鏡上。」 依靠衛星的通行開銷意味著安全的通信只能在一天中的特定時間進行。即便如此，該技術目前仍需要其他因素（例如，相當晴朗的天空）以確保地面站可以接收鑰匙。

Kwiat說：「我認為要試圖決定要購買這兩種產品中的哪一種並不是一個好策略。」 相反，他補充說，利用衛星連接的本地光纖網絡的混合系統可能是最好的方法。

潘說，他的團隊的下一個重大任務是在離地球表面10,000公裡的更高軌道發射和運行量子衛星。他估計，該項目可能在短短五年內實現升空。在如此高的高度上，衛星可以促進彼此相距較遠的地面站之間更頻繁的通信。（相比之下，Micius繞地球運行僅500公裡，將其對任何地面站的覆蓋範圍限制為每天兩次。）有了高軌道量子衛星，「您可以整天執行量子密鑰分配。這樣您就有了更多的交流時間，」潘說。他還估計，新衛星將能夠在相距10,000公裡的兩個地面站之間執行基於糾纏的量子密鑰分配，

隨著中國在尋求不可突破的量子通信方面不斷前進，其他國家也在爭先恐後地追趕。NASA在2018年啟動 了國家太空量子實驗室的開發工作，該實驗室將在國際空間站上使用雷射來實現地面站之間的安全通信。在歐洲，一個耗資10億歐元的Quantum旗艦項目下的Quantum Internet Alliance處於啟動階段。另外，英國和新加坡之間的聯合小組正在朝著明年發射自己的量子通信衛星的方向取得快速進展。日本和印度也正在從事此類工作。

那麼，中國是否會贏得安全量子網際網路的競賽？潘說現在還為時過早。他說：「在量子網際網路成為現實之前，我們將需要更大的產出。」

來源：科學美國人

作者：凱倫權

FY：二師兄