中国科学技术学院潘建伟及其朋友彭承志、印娟等组成的研究团队，联合牛津学院ArturEkert、中科院武汉技术化学研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队，借助“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子秘钥分发。该实验成果除了将往年地面无中继量子保密通讯的空间距离提升了一个数目级，但是通过数学原理确保了虽然在卫星被他方控制的极端情况下仍然能实现安全的量子通讯，取得了量子通讯现实应用的重要突破。6月15日，研究团队在国际知名学术刊物《自然》杂志上在线发表了题为“基于纠缠的千公里级安全量子加密（-basedover1,120）”的研究论文。《自然》杂志因此专门发布了题为“基于卫星的远距离安全通讯（:Long-range-based）”的新闻稿（Press）加以推介。
量子通讯提供了一种原理上无条件安全的通讯方法，但要从实验室迈向广泛应用，须要解决两大挑战，分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。通过国际学术界30余年的努力，目前现场点对点光纤量子秘钥分发的安全距离达到了百公里量级。在现有技术水平下，使用可信中继可以有效拓展量子通讯的距离，例如世界首列量子保密通讯沪宁干线通过32个中继节点，贯通了全长2000公里的城际光纤量子网路；而借助量子科学实验卫星“墨子号”作为中继，在自由空间信道进一步拓展到了7600公里的洲际距离。但是，虽然可信中继将传统通讯方法中整条线路的安全风险限制在有限个中继节点范围，中继节点的安全一直须要得到人为保障。比如，在星地量子秘钥分发过程中，量子卫星作为可信中继，把握着用户分发的全部秘钥量子通讯技术真伪，假如卫星被他方控制，就存在信息泄露的风险。
实现远距离安全量子通讯的最佳解决方案是结合量子中继和基于纠缠的量子秘钥分发。基于纠缠的量子秘钥分发的原理是，无论处于纠缠状态的粒子之间相隔多远，只要检测了其中一个粒子的状态量子通讯技术真伪，另一个粒子的状态也会相应确定，这一特点可以拿来在遥远两地的用户间形成秘钥。因为对粒子的检测局域地发生在用户端，纠缠源不把握秘钥的任何信息，虽然纠缠源（比如卫星）由不可信的他方提供，只要用户间检查到量子纠缠，就可以形成安全的秘钥。因而，量子通讯源端不完美带来的安全问题可以得到完全解决，进一步提升了量子通讯的现实安全性。原理上，借助量子中继可以实现远距离的量子纠缠分发，但实用化的量子中继还须要较长时间。
借助卫星作为量子纠缠源，通过自由空间信道在遥远两地直接分发纠缠，为现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通讯提供了可行的公路。非常是“墨子号”量子科学实验卫星在2017年首次实现千公里量级的自由空间量子纠缠分发后，实现基于纠缠的远距离量子秘钥分发就成为国际学术界热切期待的目标。
基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作和技术积累，研究团队通过对地面望远镜主光学和后光路进行升级，实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提高。“墨子号”量子卫星过境时，同时与山西昆明南山站和山东德令哈站两个地面站构建光链路，以每秒2对的速率在地面超过1120公里的两个站之间构建量子纠缠，从而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速度形成秘钥。在实验中，通过对地面接收光路和单光子侦测器等方面进行悉心设计和防护，保证了公正取样和对所有已知侧信道的免疫，所生成的秘钥不依赖可信中继、并确保了现实安全性。结合最新发展的量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒形成10亿对纠缠光子，最终密钥成分辨率将提升到每秒几十比特或单次过境几万比特。
实验示意图
《自然》杂志审稿人赞扬该工作“展示了一项开创性实验的结果（theofa）；”“这是朝向建立全球化量子秘钥分发网路甚至量子互联网的重要一步（ThisisastepaforQKD,andmore,afor）；”“我的确觉得不依赖可信中继的长距离纠缠量子秘钥分发合同的实验实现是一个里程碑（Idoagreethattheofalong--basedQKDnotonnodesisa）。”该研究成果是现实条件下实现安全、远距离量子保密通讯的重要突破，就像沃尔夫数学学奖获得者、量子密码的提出者之一所强调的，“这将最终实现所有密码学者千年来的梦想（ThiswouldtheholyGrailthatallhavebeenofforofyears）。
”基于该研究成果发展上去的高效星地链路搜集技术，可以将量子卫星荷载重量由现有的几百公斤增加到几十公斤以下，同时将地面接收系统的重量由现有的10余吨急剧减少到100公斤左右，实现接收系统的大型化、可搬运，为将来卫星量子通讯的规模化、商业化应用奠定了坚实的基础。“墨子号”量子科学实验卫星是中科院空间科学战略性先导科技专项之一。迄今，“墨子号”研究团队已在《自然》及《科学》杂志发表了5篇研究论文，为我国在未来继续推动世界量子通讯技术发展和空间尺度量子化学基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。
该研究工作得到了中科院、国家自然科学基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。
论文链接：
（南京微尺度物质科学国家研究中心、物理大学、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）
