量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)：衛(wèi)星被劫仍不會(huì)泄密

“這是構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步?！?/p>

獲得《自然》雜志審稿人上述贊譽(yù)的，是 2020 年 6 月 15 日發(fā)表的一篇論文——《基于糾纏的 1120 公里安全量子加密》（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1，120 kilometres）。

該論文展示了：沒(méi)有用地面中繼器情況下，借助“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在相隔 1120 公里的兩個(gè)地面站之間，成功實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。此外，論文結(jié)果還顯示，即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下，通過(guò)物理原理依然能實(shí)現(xiàn)安全量子通信。

“墨子號(hào)”是中國(guó)乃至世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在 2011 年正式立項(xiàng)，于 2016 年 8 月由長(zhǎng)征二號(hào)丁火箭發(fā)射升空，其目的是實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信。

要理解上面論文成果，得先了解一些量子通信的技術(shù)背景。

先要說(shuō)明的是，“量子” 這一概念，并不特指某一種具體粒子。光子、電子或原子等微觀粒子都是量子范疇。

量子通信因其信息保密性，被視為加密傳輸消息的利器。理論上，量子信息傳輸瞬時(shí)完成，是不可破解的。

但實(shí)現(xiàn)層面上，為了交換加密消息，量子通信需要使用光子分布密鑰（加密和解密密文的“鑰匙”）。這個(gè)過(guò)程被稱之為“量子密鑰分發(fā)”（Quantum Key Distribution，簡(jiǎn)稱 QKD）。

由于隨著傳輸距離變長(zhǎng)，光子損耗會(huì)迅速增加，因此在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)用戶之間的量子密鑰分發(fā)距離，被限制為大約 100 公里。

要延長(zhǎng)距離并且避免光子損耗，得加入中繼器。但只要涉及中繼節(jié)點(diǎn)，就會(huì)有被他方控制的風(fēng)險(xiǎn)。

比如，世界首條量子保密通信“京滬干線”，雖然提供了 2000 公里的光纖量子網(wǎng)絡(luò)，但有 32 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)安全都需要人為保障。

取代地面中繼器的一個(gè)方法，是利用量子通信衛(wèi)星進(jìn)行量子密鑰分發(fā)。

2018 年 1 月，在自由空間信道，中國(guó)和奧地利利用 “墨子號(hào)” ，實(shí)現(xiàn)了洲際量子密鑰分發(fā)，距離達(dá) 7600 公里。但如果采用這種方法，“墨子號(hào)”衛(wèi)星掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰，如果衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

利用量子的糾纏特性，成為解決這種風(fēng)險(xiǎn)的一副良方。量子糾纏是指，兩個(gè)或多個(gè)粒子相互依存的狀態(tài)，即使它們相隔數(shù)光年之遠(yuǎn)。處于糾纏狀態(tài)的粒子，無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，只要測(cè)量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)確定。

從物理原理上說(shuō)，由于對(duì)量子的測(cè)量，發(fā)生在地面站用戶端，糾纏源（衛(wèi)星）不掌握密鑰任何信息，即使衛(wèi)星被他方劫持了，密鑰也不會(huì)泄漏。但在該論文發(fā)表前，基于衛(wèi)星糾纏的分發(fā)，不僅效率低下，而且錯(cuò)誤率高，不足以支持量子密鑰分發(fā)。

因此，如何在保證安全的情況下，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)，成為量子通信商業(yè)化、實(shí)用化的關(guān)鍵。

至此，我們可以總結(jié)一下量子密鑰分發(fā)過(guò)去的技術(shù)局限：如果沒(méi)有地面中繼器，那么兩個(gè)地面站（用戶）之間的量子密鑰分發(fā)，最遠(yuǎn)只能到 100 公里。如果借助量子通信衛(wèi)星，會(huì)有被劫持風(fēng)險(xiǎn)，因此需要借助量子的糾纏特性，但糾纏分發(fā)的效率又不夠高。

再對(duì)比上述論文成果，就能明白其意義：將以往地面無(wú)中繼量子保密通信的空間距離，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。即使別人劫持了衛(wèi)星，也沒(méi)辦法獲取加密的信息。

那么該論文研究團(tuán)隊(duì)是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)突破的呢？

該論文作者之一，是中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉及其團(tuán)隊(duì)。他同時(shí)是 “墨子號(hào)” 項(xiàng)目和 “京滬干線” 項(xiàng)目的首席科學(xué)家。論文其他作者還包括：牛津大學(xué) Artur Ekert、中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇團(tuán)隊(duì)、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊(duì)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)站點(diǎn)，分別是新疆烏魯木齊南山站，和青海德令哈站，相距 1120 公里。研究人員在兩個(gè)站點(diǎn)處，設(shè)立了接受量子信號(hào)的望遠(yuǎn)鏡。

當(dāng)“墨子號(hào)”衛(wèi)星經(jīng)過(guò)站臺(tái)時(shí)，與兩個(gè)地面站的望遠(yuǎn)鏡就建立光鏈路，以每秒 2 對(duì)量子的速度，在兩個(gè)站之間建立量子糾纏，進(jìn)而產(chǎn)生密鑰。

地面站的望遠(yuǎn)鏡經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，主光學(xué)和后光路都有升級(jí)，解決了上文所說(shuō)的，衛(wèi)星糾纏分發(fā)效率低的問(wèn)題。據(jù)論文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，單邊望遠(yuǎn)鏡有雙倍接收效率提升，雙邊則有四倍提升。

潘建偉擔(dān)任主任的量子物理與量子信息研究部表示，基于該成果發(fā)展起來(lái)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)有幾百公斤降低到幾十公斤以下。

同時(shí)，能將地面接收系統(tǒng)重量，由現(xiàn)有 10 余噸降低到 100 公斤左右，實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)小型化、可搬運(yùn)，為將來(lái)衛(wèi)星量子通信規(guī)?；?、商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。