潘建偉團(tuán)隊(duì)的人類首次洲際量子通信圓滿完成

世界首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完成目標(biāo)；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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)“中國(guó)隊(duì)”迅速走到了量子通信的前沿領(lǐng)域。

1月19日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)披露了首次洲際量子通信的更多技術(shù)細(xì)節(jié)。通過“墨子號(hào)”的中繼，相距7600公里的中國(guó)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(hào)”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(jìn)行一次性加密。

這次量子保密通信與潘建偉的博士導(dǎo)師、奧利地科學(xué)院Anton Zeilinger教授合作完成?！澳犹?hào)”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(jìn)行了量子糾纏分發(fā)，與兩個(gè)地面站間各自產(chǎn)生一段密鑰。接著，按照地面指令，“墨子號(hào)”給兩段密鑰進(jìn)行逐位異或運(yùn)算，將結(jié)果發(fā)送給其中一個(gè)地面站，由此，中歐兩個(gè)距離長(zhǎng)達(dá)7600公里的位點(diǎn)之間建立了密碼。

此外，中國(guó)科學(xué)院還與奧地利科學(xué)院進(jìn)行了洲際量子保密視頻會(huì)議，采用128位高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（每秒刷新128位種子密鑰表）。視頻會(huì)議持續(xù)了75分鐘，共傳輸約2GB數(shù)據(jù)，中奧雙方交換了一段560kbit的量子密鑰。

傳統(tǒng)的公鑰密碼系統(tǒng)依賴特定數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)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(yán)格證明無條件安全的加密方式。通信者用量子疊加態(tài)對(duì)信息進(jìn)行加密，而基于量子不可復(fù)制原理，任何竊聽行為都會(huì)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)造成干擾。

經(jīng)過十多年的實(shí)驗(yàn)探索，潘建偉團(tuán)隊(duì)將量子糾纏分發(fā)距離從十幾公里拓展到404公里，實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的點(diǎn)到點(diǎn)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?shù)膿p耗較大，量子通信距離僅限于數(shù)百公里。為了實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)間的量子通信，利用“天地鏈路”是個(gè)可行的方案。光子在地面與衛(wèi)星間傳輸時(shí)，經(jīng)過的距離絕大多數(shù)是真空，產(chǎn)生的損耗和退相干程度可以忽略不計(jì)。

潘建偉團(tuán)隊(duì)在2016年8月將世界首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”送上500公里高的近地軌道。與“墨子號(hào)”進(jìn)行合作實(shí)驗(yàn)的5個(gè)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(tuán)隊(duì)宣布“墨子號(hào)”在一年時(shí)間內(nèi)圓滿完成三大科學(xué)目標(biāo)：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(cè)量；地星量子隱形傳態(tài)。

這三個(gè)突破性的實(shí)驗(yàn)是搭建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的基石。結(jié)果證實(shí)，針對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。

如今，地面“京滬干線”和天上的“墨子號(hào)”星地鏈路已經(jīng)進(jìn)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(zhǎng)2000公里，貫穿濟(jì)南和合肥。而興隆地面站通過光纖接入了北京的多個(gè)量子通信網(wǎng)點(diǎn)。政府機(jī)構(gòu)、銀行和保險(xiǎn)公司正通過實(shí)際應(yīng)用測(cè)試量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)。