“墨子号”量子卫星取得新突破 实现世界首次千公里级量子纠缠密钥分发

仙仙

经过多年研究攻关，中国科学院院士潘建伟研究团队联合牛津大学等国内外团队，通过“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了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。这一成果15日在国际学术期刊《自然》在线发表。




实验中，研究团队利用“墨子号”作为量子纠缠源，通过对地面望远镜进行升级，实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。“墨子号”卫星过境时，同时与新疆南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，以每秒2对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠，产生量子密钥，在国际上首次实现了基于纠缠的千公里级量子保密通信。


中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟介绍，基于纠缠的量子保密通信，利用空间信道的衰减比较少，把点对点现场密钥分发的距离由百公里量级提升到了一千公里。未来一轨就能够产生约4万个密钥，这对于一些绝密的或者说高密级的信息传输已经够了。




量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式，但要走向广泛应用，还需解决安全性和远距离传输两大问题。通过国际学术界30多年的努力，目前现场点对点光纤量子密钥分发达到了百公里量级。使用可信中继可有效拓展量子通信的距离，比如量子京沪干线通过32个中继节点，贯通了全长2000公里的城际光纤量子网络。然而，中继节点的安全仍然存在安全隐患，需要得到人为保障。研究团队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，为实现基于纠缠的量子保密通信提供了可行的道路。


潘建伟介绍，这一成果主要依赖于纠缠的概念，一对光子纠缠后往两个地方分发的时候，如果其中只要有任何一个光子被看到过的话，这个纠缠就没有了，那么就能够知道这个密码是不安全的了，所以哪怕卫星是由你所不信任的人造的，最后密钥分发之后，如果它能够满足一定的纠缠关系，那么它也是安全的。


据了解，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，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。目前，我国正在规划建设量子卫星网络，结合最新发展的量子纠缠源技术，每秒可产生10亿对纠缠光子，最终密钥成码率有望大幅提高，为其实用化提供必要的技术支持。


《自然》期刊高级编辑费德里科·利瓦伊评价，“这是一项非常重要的突破，研究人员将光子制备、分发和测量的效率提升到了足够高的水平，从而确保能够生成安全密钥。这项实验首次演示了基于纠缠的远距离量子密钥分发，是迈向量子安全通信道路上的一个重要里程碑。”（记者帅俊全）