量子密鑰分發(fā)實驗：衛(wèi)星被劫仍不會泄密

“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。”

獲得《自然》雜志審稿人上述贊譽的，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：沒有用地面中繼器情況下，借助“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在相隔 1120 公里的兩個地面站之間，成功實現(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，通過物理原理依然能實現(xiàn)安全量子通信。

“墨子號”是中國乃至世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在 2011 年正式立項，于 2016 年 8 月由長征二號丁火箭發(fā)射升空，其目的是實現(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，量子信息傳輸瞬時完成，是不可破解的。

但實現(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”）。這個過程被稱之為“量子密鑰分發(fā)”（Quantum Key Distribution，簡稱 QKD）。

由于隨著傳輸距離變長，光子損耗會迅速增加，因此在實際應(yīng)用中，兩個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，就會有被他方控制的風(fēng)險。

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 個中繼節(jié)點，每個節(jié)點安全都需要人為保障。

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

2018 年 1 月，在自由空間信道，中國和奧地利利用 “墨子號” ，實現(xiàn)了洲際量子密鑰分發(fā)，距離達 7600 公里。但如果采用這種方法，“墨子號”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。

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

從物理原理上說，由于對量子的測量，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，實現(xiàn)基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)，成為量子通信商業(yè)化、實用化的關(guān)鍵。

至此，我們可以總結(jié)一下量子密鑰分發(fā)過去的技術(shù)局限：如果沒有地面中繼器，那么兩個地面站（用戶）之間的量子密鑰分發(fā)，最遠只能到 100 公里。如果借助量子通信衛(wèi)星，會有被劫持風(fēng)險，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。

再對比上述論文成果，就能明白其意義：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。即使別人劫持了衛(wèi)星，也沒辦法獲取加密的信息。

那么該論文研究團隊是如何實現(xiàn)這個突破的呢？

該論文作者之一，是中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉及其團隊。他同時是 “墨子號” 項目和 “京滬干線” 項目的首席科學(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隊、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團隊。

研究團隊進行實驗的兩個站點，分別是新疆烏魯木齊南山站，和青海德令哈站，相距 1120 公里。研究人員在兩個站點處，設(shè)立了接受量子信號的望遠鏡。

當(dāng)“墨子號”衛(wèi)星經(jīng)過站臺時，與兩個地面站的望遠鏡就建立光鏈路，以每秒 2 對量子的速度，在兩個站之間建立量子糾纏，進而產(chǎn)生密鑰。

地面站的望遠鏡經(jīng)過特殊設(shè)計，主光學(xué)和后光路都有升級，解決了上文所說的，衛(wèi)星糾纏分發(fā)效率低的問題。據(jù)論文實驗結(jié)果，單邊望遠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，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，實現(xiàn)接收系統(tǒng)小型化、可搬運，為將來衛(wèi)星量子通信規(guī)?；?、商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。