6月15日，國際著名學術期刊《自然》雜誌上在線發表了中國量子通信的重要研究成果。
中國科學技術大學潘建偉院士研究團隊，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇等相關團隊，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。該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，並且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突破。
信息安全是人類的千年夢想
量子是構成物質的最基本單元，無法被分割、無法被複製，一旦被動手腳必然留下痕跡，這使得用量子態所產生的密鑰，從物理根基上就無法被破解。基於糾纏的量子密鑰分發的原理是，無論處於糾纏狀態的光子之間相隔多遠，只要測量了其中一個光子的狀態，另一個光子的狀態也會相應確定，這一特性可以用來在遙遠兩地的用戶間直接產生密鑰。
「實現信息安全，是人類的千年夢想。而所有依賴於計算複雜度的經典加密算法原理上都會被破解。」潘建偉表示，量子通信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，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。
量子通信通常採用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離增加而指數增加。潘建偉說，由於信號的損耗，使用光纖分發量子密鑰有一個距離的上限，通過國際學術界30餘年的努力，此前已將現場點對點分發量子密鑰的安全距離提高到了百公裡量級。
要實現更遠距離的量子密鑰分發，一個可行的方案是使用可信中繼。
什麼是可信中繼？潘建偉認為可以理解為「接力跑」：單光子在光纖中從a地要跑到b地，但跑著跑著「沒力氣」了，這時就可以設置個值得信賴的節點讓密鑰「落地」一下，再由其他光子接著向前跑。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；而利用量子科學實驗衛星「墨子號」作為中繼，在自由空間信道進一步拓展到了7600公裡的洲際距離。
不過，儘管可信中繼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，中繼節點的安全仍然需要得到人為保障。例如，在星地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，可如果衛星被他方控制，就存在信息洩漏的風險。
潘建偉說，實現遠距離安全量子通信的最佳解決方案是結合量子中繼和基於糾纏的量子密鑰分發，原理上，利用量子中繼可實現遠距離的量子糾纏分發，但實用化的量子中繼還需要較長時間。而利用衛星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發糾纏，為現有技術條件下實現基於糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。
無中繼量子密鑰分發距離首次突破千公裡
向著未知奮進，研究團隊通過對地面望遠鏡進行升級，在「墨子號」量子衛星過境時，使其同時與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路，以每秒2對的速度在地面超過1120公裡的兩個站之間建立量子糾纏，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。在實驗中，衛星作為糾纏源，只負責分發糾纏，不掌握密鑰的任何信息；而用戶間的密鑰是通過糾纏直接產生的，不再需要衛星的中轉了。
通過對地面接收光路和單光子探測器等方面進行精心設計和防護，保證了公平採樣和對所有已知側信道的免疫，所生成的密鑰不依賴可信中繼、並確保了現實安全性。結合最新發展的量子糾纏源技術，未來衛星上可每秒產生10億個糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特。
《自然》雜誌審稿人稱讚該工作，是朝向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；「不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發協議的實驗實現是一個裡程碑。」
在潘建偉看來，這一最新研究將無中繼的量子密鑰分發距離首次突破1000公裡，是個重要突破；更重要的意義在於，即使衛星被他方控制也能夠產生安全的密鑰。
他表示，基於該研究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的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時將地面接收系統的重量由現有的10餘噸大幅降低到100公斤左右，實現接收系統的小型化、可搬運，為將來衛星量子通信的規模化、商業化應用奠定了堅實的基礎。
不過，潘建偉也坦言，這次發表論文的科研突破，目前只是科學上的原理演示，離實際應用還有較遠距離。
據了解，「墨子號」量子科學實驗衛星是中科院空間科學戰略性先導科技專項之一。迄今，「墨子號」研究團隊已在《自然》及《科學》雜誌發表了5篇研究論文，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。