潘建偉團隊的人類首次洲際量子通信圓滿完成

世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星完成目標；世界首條量子保密通信“京滬干線”開通；世界首次洲際量子通信……在過去一年里，中國科學技術大學潘建偉團隊帶領“中國隊”迅速走到了量子通信的前沿領域。

1月19日，中國科學技術大學披露了首次洲際量子通信的更多技術細節(jié)。通過“墨子號”的中繼，相距7600公里的中國和奧地利完成量子保密通信。

北京向維也納發(fā)送了一張大小5.34kB的“墨子號”照片，而維也納則向北京發(fā)送了一張大小4.9kB的薛定諤照片，使用一段80kbit的量子密鑰進行一次性加密。

這次量子保密通信與潘建偉的博士導師、奧利地科學院Anton Zeilinger教授合作完成。“墨子號”向北京附近的興隆地面站和維也納附近的格拉茨（Graz）地面站進行了量子糾纏分發(fā)，與兩個地面站間各自產生一段密鑰。接著，按照地面指令，“墨子號”給兩段密鑰進行逐位異或運算，將結果發(fā)送給其中一個地面站，由此，中歐兩個距離長達7600公里的位點之間建立了密碼。

此外，中國科學院還與奧地利科學院進行了洲際量子保密視頻會議，采用128位高級加密標準（每秒刷新128位種子密鑰表）。視頻會議持續(xù)了75分鐘，共傳輸約2GB數據，中奧雙方交換了一段560kbit的量子密鑰。

傳統的公鑰密碼系統依賴特定數學函數的計算難度，但理論上都可以被破解。相反，量子密鑰分發(fā)是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的加密方式。通信者用量子疊加態(tài)對信息進行加密，而基于量子不可復制原理，任何竊聽行為都會對整個通信系統造成干擾。

經過十多年的實驗探索，潘建偉團隊將量子糾纏分發(fā)距離從十幾公里拓展到404公里，實現了世界上最遠距離的點到點光纖密鑰分發(fā)，可以滿足城際量子通信的需求。

不過，光纖或地面自由空間傳輸的損耗較大，量子通信距離僅限于數百公里。為了實現地球上任意兩點間的量子通信，利用“天地鏈路”是個可行的方案。光子在地面與衛(wèi)星間傳輸時，經過的距離絕大多數是真空，產生的損耗和退相干程度可以忽略不計。

潘建偉團隊在2016年8月將世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星“墨子號”送上500公里高的近地軌道。與“墨子號”進行合作實驗的5個地面站也相繼落成，分別位于河北興隆、新疆南山、青海德令哈、云南麗江和西藏阿里。

2017年，潘建偉團隊宣布“墨子號”在一年時間內圓滿完成三大科學目標：超過1200公里的星地誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)；距離1200公里的星地量子糾纏分發(fā)和貝爾態(tài)測量；地星量子隱形傳態(tài)。

這三個突破性的實驗是搭建全球量子通信網絡的基石。結果證實，針對1200公里的量子密鑰分發(fā)，衛(wèi)星鏈路效率比光纖高出了20多個數量級。

如今，地面“京滬干線”和天上的“墨子號”星地鏈路已經進行了整合。2017年9月底，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通，全長2000公里，貫穿濟南和合肥。而興隆地面站通過光纖接入了北京的多個量子通信網點。政府機構、銀行和保險公司正通過實際應用測試量子通信骨干網絡。