如何實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信？

近日，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星再立新功：科學(xué)家們利用“墨子號(hào)”作為量子糾纏源，向遙遠(yuǎn)的兩地分發(fā)量子糾纏，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)——為量子通信走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

近日，科學(xué)家們利用“墨子號(hào)”在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。該實(shí)驗(yàn)成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，更重要的是，通過物理原理確保了即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)安全的量子通信，為量子通信走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

該實(shí)驗(yàn)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事，聯(lián)合牛津大學(xué)阿圖爾·?？颂?、中國(guó)科學(xué)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)一起完成。該成果已于近日在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

無條件安全的量子通信

量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的基本攜帶者，無法被分割和復(fù)制。對(duì)于人們來說，所有大家所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都統(tǒng)稱為量子。通常，光子被用來制備量子。

所謂量子密鑰分發(fā)，簡(jiǎn)單說，即在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間生成并安全共享一組量子密鑰，為所傳輸?shù)亩M(jìn)制信息加密。這種量子通信方式之所以被科學(xué)家們寄予厚望，是因?yàn)槌诵畔⒌陌l(fā)送、接收方，如果有第三方試圖復(fù)制或竊聽量子密鑰，則通信的雙方便會(huì)立刻察覺。

這一新型通信方式的實(shí)現(xiàn)，正是基于量子疊加和不可復(fù)制的特性。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，一個(gè)客體，比如貓，其狀態(tài)只有兩種，要么是生，要么是死。但在量子世界中，這只貓卻可以處于又生又死的疊加狀態(tài)。不過，這種疊加態(tài)極其脆弱，一旦有人去測(cè)量，其狀態(tài)（又生又死）馬上就會(huì)發(fā)生改變，而不再是原來的那只貓了。換句話說，如果有人試圖竊聽量子密鑰，需要事先測(cè)量傳送密鑰的量子狀態(tài)，然而，脆弱的疊加態(tài)導(dǎo)致量子自身一旦被測(cè)量或者復(fù)制，就會(huì)立刻改變?cè)袪顟B(tài)，從而被通信雙方察覺。

“量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，因?yàn)槠浒踩圆灰蕾囉谟?jì)算復(fù)雜度，這是在原理上無條件安全的一種通信方式，一旦存在竊聽必然被發(fā)現(xiàn)?！迸私▊フf。

在潘建偉看來，量子密鑰分發(fā)，就好比一個(gè)人想要傳遞秘密給另外一個(gè)人，需要把存放秘密的箱子與一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而一旦這把鑰匙被別人動(dòng)過，傳送者就會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)——原有鑰匙會(huì)作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。

“量子技術(shù)，其基本概念就是利用量子物理定律操縱微觀物質(zhì)，比如原子、分子和電子，從而獲得宏觀物質(zhì)世界無法實(shí)現(xiàn)的功能，其中的量子密碼學(xué)正是這篇論文所涉及的關(guān)鍵。理論上，經(jīng)過量子加密的通信是無法被竊聽的。”自然集團(tuán)副總裁楊曉虹表示。

實(shí)際應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。原理上無條件安全的量子通信，要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用，仍面臨兩大挑戰(zhàn)：一是遠(yuǎn)距離傳輸帶來的信號(hào)損耗；二是現(xiàn)實(shí)器件，如光源、探測(cè)器等不完美帶來的安全性漏洞。因此，要在現(xiàn)實(shí)條件下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信，并非聽起來那么簡(jiǎn)單。

以信號(hào)損耗為例。科學(xué)家們一般使用單光子作為物理載體來傳輸密鑰，但因?yàn)閱喂庾有盘?hào)不能被放大，再加上傳輸信道——光纖對(duì)單光子的吸收，隨著傳輸距離的拉長(zhǎng)，單光子信號(hào)損耗呈指數(shù)增長(zhǎng)。通過30余年堅(jiān)持不懈的努力，如今，國(guó)際學(xué)術(shù)界在實(shí)驗(yàn)室中將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的距離提高到了500公里。

如何實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信？使用可信中繼是一個(gè)行之有效的方法。什么是可信中繼？潘建偉認(rèn)為可以理解為“接力跑”：?jiǎn)喂庾釉诠饫w中從a地要跑到b地，可跑著跑著沒力氣了，這時(shí)就可以設(shè)置個(gè)值得信賴的節(jié)點(diǎn)讓密鑰“落地”一下，再由其他光子接著向前跑。比如，利用“墨子號(hào)”作為中繼，中國(guó)科學(xué)家在自由空間信道實(shí)現(xiàn)了7600公里的洲際通信。

“理論上講，只要沒有人爬到衛(wèi)星上去竊聽，那么，我們的通信就是安全的。但是，這些中繼節(jié)點(diǎn)的安全仍然需要得到人為保障?！迸私▊ヅe了個(gè)例子：如果人們使用衛(wèi)星作為中繼節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星就掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰。如此一來，便帶來了另外一個(gè)問題：假如這個(gè)衛(wèi)星是別國(guó)制造的，就可能會(huì)存在信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

那么，如何避免這一可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)？2017年，“墨子號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的自由空間量子糾纏分發(fā)，圓滿完成了既定科學(xué)目標(biāo)。此時(shí)，潘建偉萌生了一個(gè)新的想法：發(fā)射一顆衛(wèi)星花了不少經(jīng)費(fèi)，可不可以嘗試一下利用“墨子號(hào)”作為量子糾纏源，而不是量子密鑰的中繼點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)？

基于糾纏的量子密鑰分發(fā)的原理是，無論處于糾纏狀態(tài)的兩個(gè)粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要測(cè)量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)確定?！袄眠@一特性，我們可以在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間直接生成并安全共享一組量子密鑰，為所傳輸?shù)亩M(jìn)制信息加密?！迸私▊ケ硎尽?/p>

實(shí)現(xiàn)安全通信重要一步

向著科學(xué)的高峰努力奔跑，基于“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作與技術(shù)積累，研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)與后光路進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。

有了技術(shù)的支撐，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí)，同時(shí)與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個(gè)地面站建立光鏈路，以每秒2對(duì)光子的速度在地面超過1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，進(jìn)而在有限碼長(zhǎng)下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。

“在該實(shí)驗(yàn)中，衛(wèi)星作為量子糾纏源，只負(fù)責(zé)分發(fā)量子糾纏，不掌握量子密鑰的任何信息；用戶間的密鑰是通過量子糾纏直接產(chǎn)生的，不再需要衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)?！迸私▊フf，由于對(duì)糾纏粒子的測(cè)量最后是由用戶端來進(jìn)行，根據(jù)量子糾纏特性，即使糾纏源由不可信的他方提供，只要用戶間最終檢測(cè)到量子糾纏，就可以產(chǎn)生安全的密鑰。所以，量子通信源端不完美帶來的安全問題可以得到完全解決，最終確保了量子通信的現(xiàn)實(shí)安全性。

對(duì)此，《自然》雜志審稿人稱贊該工作，“不依賴可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑。”潘建偉坦言，剛發(fā)射“墨子號(hào)”衛(wèi)星時(shí)，自己也不敢幻想能取得今天的成果，一路“邊走邊下蛋”，最終有了這一重要科研突破?！叭欢?，這次科研成果目前只是科學(xué)上的原理演示，距離實(shí)際應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走。”潘建偉說。

關(guān)于下一步的發(fā)展，他說，結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來衛(wèi)星上可每秒產(chǎn)生10億對(duì)糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特。屆時(shí)，安全的量子通信的夢(mèng)想將有望照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
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