“墨子号”实现无中继千公里量子保密通信

远距离安全量子通信再获突破!

来自中国科学技术大学等国内外单位的研究团队利用“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密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保即使在卫星被他方控制的极端情况下，依然能实现安全的量子通信，取得了量子通信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。

量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式，但要从实验室走向广泛应用，需要解决两大挑战，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信的距离，比如利用“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，尽管可信中继将传统通信方式中整条线路的安全风险限制在有限的中继节点范围内，中继节点的安全仍然需要得到人为保障。”中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟说。

实现远距离安全量子通信的最佳解决方案是结合量子中继和基于纠缠的量子密钥分发。基于纠缠的量子密钥分发的原理是，无论处于纠缠状态的粒子之间相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会相应确定，这一特性可以用来在遥远两地的用户间产生密钥。

利用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信提供了可行的道路。

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升。“墨子号”量子卫星过境时，可以同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，以每秒两对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠，进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。“在实验中，通过对地面接收光路和单光子探测器等方面进行精心设计和防护，保证了公平采样和对所有已知侧信道的免疫，所生成的密钥不依赖可信中继，并确保了现实安全性。”潘建伟说，结合最新发展的量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒产生10亿个纠缠光子，最终密钥成码率将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特。

对此，《自然》杂志审稿人称赞道，“这是朝向构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步。”“我的确认为不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实现是一个里程碑。”

潘建伟表示，基于该研究成果发展起来的高效星地链路收集技术，可以将量子卫星载荷重量由现有的几百公斤降低到几十公斤以下，同时将地面接收系统的重量由现有的10余吨大幅降低到100公斤左右，实现接收系统的小型化、可搬运，为将来卫星量子通信的规模化、商业化应用奠定了坚实的基础。

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