【本報記者北京專電】中國科學技術大學潘建偉及彭承志、印娟研究團隊，聯合牛津大學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，利用「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公里級基於糾纏的量子金鑰分發。

該實驗成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信空間距離提高一個數量級，並通過物理原理確保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重要突破。

6月15日，中國團隊線上上發佈會上發佈了這一成果。 6月16日，研究團隊在國際學術期刊《自然》雜誌線上發表題為「基於糾纏的千公里級安全量子加密」的研究論文 。

《自然》雜誌專門發佈題為「基於衛星的遠距離安全通信」的新聞稿加以推介。

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解決兩大挑戰，分別是現實條件下的安全性和遠距離傳輸。

通過國際學術界30年努力，現場點對點光纖量子金鑰分發安全距離達百公里量級。在現有技術水準使用可信中繼可有效拓展量子通信距離，世界首條量子保密通信京滬幹線通過32個中繼節點貫通全長2000公里的城際光纖量子網路；而用量子科學實驗衛星「墨子號」作為中繼，在自由空間通道進一步拓展到7600公里的洲際距離。

儘管可信中繼將傳統通信方式中整條線路安全風險限制在有限中繼節點範圍，中繼節點的安全仍需得到人為保障。在星地量子金鑰分發中，量子衛星作為可信中繼，掌握著使用者分發全部金鑰，如衛星被他方控制，就存在資訊洩漏風險。

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金鑰分發。基於糾纏的量子金鑰分發的原理是，無論處於糾纏狀態的粒子之間相隔多遠，只要測量其中一個粒子，另一個粒子的狀態也會相應確定，這一特性可用來在遙遠兩地的用戶間產生金鑰。

由於對粒子的測量局域地發生在用戶端，糾纏源不掌握金鑰的任何資訊，即使糾纏源（例如衛星）由不可信的他方提供，只要用戶間檢測到量子糾纏，就可產生安全金鑰。因此，量子通信源端不完美帶來的安全問題可得到解決，進一步提高量子通信的現實安全性。

原理上，利用量子中繼可實現遠距離量子糾纏分發，但實用化的量子中繼還需較長時間。利用衛星作為量子糾纏源，通過自由空間通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。特別是「墨子號」量子科學實驗衛星在2017年首次實現千公里量級的自由空間量子糾纏分發後，實現基於糾纏的遠距離量子金鑰分發就成為國際學術界熱切期盼的目標。

基於「墨子號」量子衛星的前期實驗工作和技術積累，研究團隊通過對地面望遠鏡主光學和後光路進行升級，實現了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。「墨子號」量子衛星過境時，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公里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金鑰。

實驗示意圖《自然》雜誌審稿人稱該工作「展示了一項開創性實驗結果；」 「這是朝向構建全球化量子金鑰分發網路甚至量子互聯網的重要一步；」「我的確認為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子金鑰分發協議的實驗實現是一個里程碑。」該研究成果是現實條件下實現安全、遠距離量子保密通信的重要突破，如同沃爾夫物理學獎獲得者、量子密碼的提出者之一Gilles指出，「這將最終實現所有密碼學者千年來的夢想。」

該研究成果發展起的高效星地鏈路收集技術可將量子衛星載荷由現有幾百公斤降到幾十公斤，同時將地面接收系統由10餘噸大幅降到100公斤，實現接收系統小型化、可搬運，為將來衛星量子通信規模化、商業化應用奠定堅實基礎。

「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堅實科學技術基礎。

《濠江日報》（2020年06月16日）

http://houkongdaily.com/20200616-B1-244863.html