潘建偉團隊完成人類首次洲際量子通信，使中國走到了量子通信的前沿領(lǐng)域

潘建偉團隊再次帶領(lǐng) “中國隊” 取得量子通信又一突破。1 月 19 日，通過 “墨子號” 的中繼，相距 7600 公里的中國和奧地利完成量子保密通信。這是潘建偉團隊實現(xiàn)的人類首次洲際量子通信。

世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星完成目標；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，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊帶領(lǐng) “中國隊” 迅速走到了量子通信的前沿領(lǐng)域。

1 月 19 日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)披露了首次洲際量子通信的更多技術(shù)細節(jié)。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》以封面論文的形式，介紹了去年９月中國與奧地利科學(xué)家借助 “墨子號” 衛(wèi)星成功實施的世界首次量子保密的洲際視頻通話。通過 “墨子號” 的中繼，相距 7600 公里的中國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” 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，通過一段 80kbit 的量子密鑰進行一次一密加密（即 1 比特信息用 1 比特密鑰加密）。

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犹枴?向北京附近的興隆地面站和維也納附近的格拉茨（Graz）地面站進行了量子密鑰分發(fā)，與兩個地面站間各自產(chǎn)生一段密鑰。接著，按照地面指令，“墨子號” 給兩段密鑰進行逐位異或運算，將結(jié)果發(fā)送給其中一個地面站，由此，中歐兩個距離長達 7600 公里的位點之間建立了密碼。

此外，中國科學(xué)院還與奧地利科學(xué)院進行了洲際量子保密視頻會議，采用 128 位高級加密標準（每秒刷新 128 位種子密鑰表）。中奧雙方用 560kbit 密鑰支持了 75 分鐘的視頻會議，共傳輸約 2GB 數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的公鑰密碼系統(tǒng)依賴特定數(shù)學(xué)函數(shù)的計算難度，但理論上都可以被破解。相反，量子密鑰分發(fā)是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的加密方式。通信者用量子疊加態(tài)對信息進行加密，而基于量子不可復(fù)制原理，任何竊聽行為都會對整個通信系統(tǒng)造成干擾。

經(jīng)過十多年的實驗探索，潘建偉團隊將量子糾纏分發(fā)距離從十幾公里拓展到 404 公里，實現(xiàn)了世界上最遠距離的點到點光纖密鑰分發(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。為了實現(xiàn)地球上任意兩點間的量子通信，利用 “天地鏈路” 是個可行的方案。光子在地面與衛(wèi)星間傳輸時，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。

潘建偉團隊在 2016 年 8 月將世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星 “墨子號” 送上 500 公里高的近地軌道。與 “墨子號” 進行合作實驗的 5 個地面站也相繼落成，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，潘建偉團隊宣布 “墨子號” 在一年時間內(nèi)圓滿完成三大科學(xué)目標：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)測量；地星量子隱形傳態(tài)。

這三個突破性的實驗是搭建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的基石。結(jié)果證實，針對 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 多個數(shù)量級。

如今，地面 “京滬干線” 和天上的 “墨子號” 星地鏈路已經(jīng)進行了整合。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 2000 公里，貫穿濟南和合肥。而興隆地面站通過光纖接入了北京的多個量子通信網(wǎng)點。政府機構(gòu)、銀行和保險公司正通過實際應(yīng)用測試量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)。