墨子號實現(xiàn)世界首次千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)

據(jù)央視新聞客戶端消息，經(jīng)過多年研究攻關(guān)，中國科學(xué)院院士潘建偉研究團隊聯(lián)合牛津大學(xué)等國內(nèi)外團隊，通過“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在國際上首次實現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。該實驗成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數(shù)量級，并且通過物理原理確保了即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下依然能實現(xiàn)安全的量子通信，取得了量子通信現(xiàn)實應(yīng)用的重要突破。這一成果15日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。

實驗中，研究團隊利用“墨子號”作為量子糾纏源，通過對地面望遠鏡進行升級，實現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升?！澳犹枴毙l(wèi)星過境時，同時與新疆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，產(chǎn)生量子密鑰，在國際上首次實現(xiàn)了基于糾纏的千公里級量子保密通信。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹，基于糾纏的量子保密通信，利用空間信道的衰減比較少，把點對點現(xiàn)場密鑰分發(fā)的距離由百公里量級提升到了一千公里。未來一軌就能夠產(chǎn)生約4萬個密鑰，這對于一些絕密的或者說高密級的信息傳輸已經(jīng)夠了。

“墨子號”量子衛(wèi)星介紹

量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式，但要走向廣泛應(yīng)用，還需解決安全性和遠距離傳輸兩大問題。通過國際學(xué)術(shù)界30多年的努力，目前現(xiàn)場點對點光纖量子密鑰分發(fā)達到了百公里量級。使用可信中繼可有效拓展量子通信的距離，比如量子京滬干線通過32個中繼節(jié)點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡(luò)。然而，中繼節(jié)點的安全仍然存在安全隱患，需要得到人為保障。研究團隊利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發(fā)糾纏，為實現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。

潘建偉介紹，這一成果主要依賴于糾纏的概念，一對光子糾纏后往兩個地方分發(fā)的時候，如果其中只要有任何一個光子被看到過的話，這個糾纏就沒有了，那么就能夠知道這個密碼是不安全的了，所以哪怕衛(wèi)星是由你所不信任的人造的，那么最后密鑰分發(fā)之后，如果它能夠滿足一定的糾纏關(guān)系，它也是安全的。

據(jù)了解，基于該研究成果發(fā)展起來的高效星地鏈路收集技術(shù)，可以將量子衛(wèi)星載荷重量由現(xiàn)有的幾百公斤降低到幾十公斤，同時將地面接收系統(tǒng)的重量由現(xiàn)有的10余噸大幅降低到100公斤左右，實現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運，為將來衛(wèi)星量子通信的規(guī)?；?、商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。目前，我國正在規(guī)劃建設(shè)量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，每秒可產(chǎn)生10億對糾纏光子，最終密鑰成碼率有望大幅提高，為其實用化提供必要的技術(shù)支持。

《自然》期刊高級編輯費德里科·利瓦伊評價，“這是一項非常重要的突破，研究人員將光子制備、分發(fā)和測量的效率提升到了足夠高的水平，從而確保能夠生成安全密鑰。這項實驗首次演示了基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)，是邁向量子安全通信道路上的一個重要里程碑?！?/p>