远距离安全量子通讯再获突破！
来自中国科学技术学院等国外外单位的研究团队借助“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即便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。相关研究成果6月15日在线发表于《自然》杂志上。
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。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，例如借助“墨子号”量子卫星作为中继，在自由空间信道可以拓展到7600公里的洲际距离。“然而，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的中继节点范围内，中继节点的安全一直须要得到人为保障。”中科院教授、中国科学技术学院院长潘建伟说。
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。
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。
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系统进行升级，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，可以同时与内蒙呼和浩特南山站和山东德令哈站两个地面站构建光链路，以每秒两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。”潘建伟说量子通讯协议，结合最新发展的量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒形成10亿个纠缠光子，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。
对此，《自然》杂志审稿人赞叹道量子通讯协议，“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现是一个里程碑。”
潘建伟表示，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。（本报记者陆成宽）