量子秘钥分发是量子通讯领域国际学术界的关注焦点。近日，我国科学家在该领域取得重大突破。中科大潘建伟及其朋友彭承志、印娟等组成的联合研究团队，借助“墨子号”量子科学实验卫星量子纠缠通讯，在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子秘钥分发，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。
记者从中科院据悉：近日，一支联合研究团队借助“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。
该实验由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，联合牛津学院阿图尔·埃克特、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一起完成。该成果于上海时间6月15日在线发表在国际学术刊物《自然》杂志上。
拓展量子通讯的距离
量子通讯是借助量子力学原理对量子态进行操控的一种通讯方式，才能有效解决信息安全问题。
一般讲，量子通讯分为两种，一种是量子秘钥分发；另一种是量子隐型传态。
量子秘钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的秘钥，借助该秘钥对信息进行一次一密的严格加密，是不可监听、不可破译的安全通讯方法。
“量子秘钥分发，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，须要把储存秘密的袋子和一把锁匙传给接收方。接收方只有用这把锁匙打开袋子，能够取到秘密。没有这把锁匙，他人难以打开袋子，但是一旦这把锁匙被他人动过，传送者会立即发觉，原有的锁匙作废，再给一把新的锁匙，直到确保接收方本人领到。”潘建伟说。
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，还须要解决两大挑战，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。
这么，怎么再进一步有效拓展量子通讯的距离？在现有技术水平下，使用可信中继才能做到。也就是说将点对点传输改为分段传输，并采用中继技术进行级联，将要整个通讯线路分几段，每段耗损都较小，再通过中继器将这几段联接上去，但是这种中继器是可被信任的。
于2017年9月29日即将开通的世界首列量子保密通讯沪宁干线就是通过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。
防止信息泄漏的风险
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，假如卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。这么量子纠缠通讯，如何避免这些信息泄漏的风险？潘建伟觉得，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，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。
潘建伟进一步解释：“由于对粒子的检测最后是由用户端来进行，所以纠缠源（比如卫星）不把握秘钥的任何信息，虽然纠缠源由不可信的他方提供，只要用户间最终检查到量子纠缠，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。“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，我们通过对地面侦测装置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，所生成的秘钥可不依赖可信中继，并实现了侦测设备的安全性。”潘建伟说。
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，最终秘钥成分辨率将提升到每秒几十比特或单次过境几万比特。
走向量子互联网的重要一步
潘建伟说，就像量子密码的提出者之一吉列斯·布拉萨德所强调的，基于纠缠的秘钥分发是所有密码学家的梦想，也是其团队在继实现千公里级星地单向量子纠缠分发后努力的方向，这次取得的重要成果意味着朝向摘夺桂冠迈出了重要一步。
潘建伟介绍：“我们在不须要任何可信中继的情况下，把量子秘钥分发的实际距离从之前的100公里提升到了1120公里，突破1000公里量级。在我看来更加重要的是，虽然作为量子纠缠源的卫星，是由他人制造的，是不可信的，只要依照我们这个程序来做，它形成的秘钥也是安全的。”
《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”“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，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”。
潘建伟表示，这次成果方案还属于实验室级别的成果，离真正实用化还有很长的路要走。“实现远距离安全量子通讯，我们最理想的解决方案是全球化的基于纠缠的无中继量子秘钥分发网路，也是我们在量子通讯领域的最终目标，这还须要阶段性地一步一步向前走。”潘建伟说。
此外，基于该研究成果发展上去的高效星地链路搜集技术，未来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、商业化应用奠定坚实的基础。