“墨子號”量子衞星取得新突破！實現世界首次千公里級量子糾纏密鑰分發

經過多年研究攻關，中國科學院院士潘建偉研究團隊聯合牛津大學等國內外團隊，通過“墨子號”量子科學實驗衞星，在國際上首次實現千公里級基於糾纏的量子密鑰分發。該實驗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數量級，並且通過物理原理確保了即使在衞星被他方控制的極端情況下依然能實現安全的量子通信，取得了量子通信現實應用的重要突破。這一成果15日在國際學術期刊《自然》在線發表。

實驗中，研究團隊利用“墨子號”作為量子糾纏源，通過對地面望遠鏡進行升級，實現了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號”衞星過境時，同時與新疆南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路，以每秒2對的速度在地面超過1120公里的兩個站之間建立量子糾纏，產生量子密鑰，在國際上首次實現了基於糾纏的千公里級量子保密通信。

中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉介紹，基於糾纏的量子保密通信，利用空間信道的衰減比較少，把點對點現場密鑰分發的距離由百公里量級提升到了一千公里。未來一軌就能夠產生約4萬個密鑰，這對於一些絕密的或者説高密級的信息傳輸已經夠了。

量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式，但要走向廣泛應用，還需解決安全性和遠距離傳輸兩大問題。通過國際學術界30多年的努力，目前現場點對點光纖量子密鑰分發達到了百公里量級。使用可信中繼可有效拓展量子通信的距離，比如量子京滬幹線通過32箇中繼節點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網絡。然而，中繼節點的安全仍然存在安全隱患，需要得到人為保障。研究團隊利用衞星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發糾纏，為實現基於糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。

潘建偉介紹，這一成果主要依賴於糾纏的概念，一對光子糾纏後往兩個地方分發的時候，如果其中只要有任何一個光子被看到過的話，這個糾纏就沒有了，那麼就能夠知道這個密碼是不安全的了，所以哪怕衞星是由你所不信任的人造的，那麼最後密鑰分發之後，如果它能夠滿足一定的糾纏關係，它也是安全的。

據瞭解，基於該研究成果發展起來的高效星地鏈路收集技術，可以將量子衞星載荷重量由現有的幾百公斤降低到幾十公斤，同時將地面接收系統的重量由現有的10餘噸大幅降低到100公斤左右，實現接收系統的小型化、可搬運，為將來衞星量子通信的規模化、商業化應用奠定了堅實的基礎。目前，我國正在規劃建設量子衞星網絡，結合最新發展的量子糾纏源技術，每秒可產生10億對糾纏光子，最終密鑰成碼率有望大幅提高，為其實用化提供必要的技術支持。

《自然》期刊高級編輯費德里科·利瓦伊評價，“這是一項非常重要的突破，研究人員將光子製備、分發和測量的效率提升到了足夠高的水平，從而確保能夠生成安全密鑰。這項實驗首次演示了基於糾纏的遠距離量子密鑰分發，是邁向量子安全通信道路上的一個重要里程碑。”（總枱央視記者 帥俊全）