衛星被劫也不會洩密 這項量子通信研究為什麼重要?

「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。」

獲得《自然》雜誌審稿人上述讚譽的，是 2020 年 6 月 15 日發表的一篇論文——《基於糾纏的 1120 公裡安全量子加密》（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）。

該論文展示了：沒有用地面中繼器情況下，藉助「墨子號」量子科學實驗衛星，在相隔 1120 公裡的兩個地面站之間，成功實現基於糾纏的量子密鑰分發。此外，論文結果還顯示，即使在衛星被他方控制的極端情況下，通過物理原理依然能實現安全量子通信。

「墨子號」是中國乃至世界首顆量子科學實驗衛星，在 2011 年正式立項，於 2016 年 8 月由長徵二號丁火箭發射升空，其目的是實現覆蓋全球的廣域量子保密通信。

要理解上面論文成果，得先了解一些量子通信的技術背景。

先要說明的是，「量子」 這一概念，並不特指某一種具體粒子。光子、電子或原子等微觀粒子都是量子範疇。

量子通信因其信息保密性，被視為加密傳輸消息的利器。理論上，量子信息傳輸瞬時完成，是不可破解的。

但實現層面上，為了交換加密消息，量子通信需要使用光子分布密鑰（加密和解密密文的「鑰匙」）。這個過程被稱之為「量子密鑰分發」（Quantum Key Distribution，簡稱 QKD）。

由於隨著傳輸距離變長，光子損耗會迅速增加，因此在實際應用中，兩個用戶之間的量子密鑰分發距離，被限制為大約 100 公裡。

要延長距離並且避免光子損耗，得加入中繼器。但只要涉及中繼節點，就會有被他方控制的風險。

比如，世界首條量子保密通信「京滬幹線」，雖然提供了 2000 公裡的光纖量子網絡，但有 32 個中繼節點，每個節點安全都需要人為保障。

取代地面中繼器的一個方法，是利用量子通信衛星進行量子密鑰分發。

2018 年 1 月，在自由空間信道，中國和奧地利利用 「墨子號」 ，實現了洲際量子密鑰分發，距離達 7600 公裡。但如果採用這種方法，「墨子號」衛星掌握著用戶分發的全部密鑰，如果衛星被他方控制，就存在信息洩漏的風險。

利用量子的糾纏特性，成為解決這種風險的一副良方。量子糾纏是指，兩個或多個粒子相互依存的狀態，即使它們相隔數光年之遠。處於糾纏狀態的粒子，無論相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態，另一個粒子狀態也會相應確定。

從物理原理上說，由於對量子的測量，發生在地面站用戶端，糾纏源（衛星）不掌握密鑰任何信息，即使衛星被他方劫持了，密鑰也不會洩漏。但在該論文發表前，基於衛星糾纏的分發，不僅效率低下，而且錯誤率高，不足以支持量子密鑰分發。

因此，如何在保證安全的情況下，實現基於糾纏的遠距離量子密鑰分發，成為量子通信商業化、實用化的關鍵。

至此，我們可以總結一下量子密鑰分發過去的技術局限：如果沒有地面中繼器，那麼兩個地面站（用戶）之間的量子密鑰分發，最遠只能到 100 公裡。如果藉助量子通信衛星，會有被劫持風險，因此需要藉助量子的糾纏特性，但糾纏分發的效率又不夠高。

再對比上述論文成果，就能明白其意義：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。即使別人劫持了衛星，也沒辦法獲取加密的信息。

那麼該論文研究團隊是如何實現這個突破的呢？

該論文作者之一，是中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉及其團隊。他同時是 「墨子號」 項目和 「京滬幹線」 項目的首席科學家。論文其他作者還包括：牛津大學 Artur Ekert、中科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。

研究團隊進行實驗的兩個站點，分別是新疆烏魯木齊南山站，和青海德令哈站，相距 1120 公裡。研究人員在兩個站點處，設立了接受量子信號的望遠鏡。

當「墨子號」衛星經過站臺時，與兩個地面站的望遠鏡就建立光鏈路，以每秒 2 對量子的速度，在兩個站之間建立量子糾纏，進而產生密鑰。

地面站的望遠鏡經過特殊設計，主光學和後光路都有升級，解決了上文所說的，衛星糾纏分發效率低的問題。據論文實驗結果，單邊望遠鏡有雙倍接收效率提升，雙邊則有四倍提升。

潘建偉擔任主任的量子物理與量子信息研究部表示，基於該成果發展起來的高效星地鏈路收集技術，可以將量子衛星載荷重量，由現有幾百公斤降低到幾十公斤以下。

同時，能將地面接收系統重量，由現有 10 餘噸降低到 100 公斤左右，實現接收系統小型化、可搬運，為將來衛星量子通信規模化、商業化應用奠定了堅實基礎。