“墨子號”實現基於糾纏的無中繼千公里量子密鑰分發

量子密碼目前被認為是不可破譯的密碼。但是如果分發密碼的衞星被別人控制了怎麼辦？這個安全漏洞或將被堵上。中國科學院15日宣佈，“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密鑰分發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密鑰分發。國際學術期刊《自然》於北京時間6月15日23時在線發表了這一成果。

該成果是中國科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團隊，聯合牛津大學埃科特教授、中科院上海技術物理研究所王建宇團隊、中科院微小衞星創新研究院、中科院光電技術研究所等相關團隊共同完成的。

潘建偉介紹，基於糾纏的量子密鑰分發的原理是，無論處於糾纏狀態的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態也會相應確定，這一特性可以用來在遙遠兩地的用户間產生密鑰。

此次試驗中，科學家們在“墨子號”量子衞星過境時，同時與新疆烏魯木齊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，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。

潘建偉團隊之前已經在量子保密通信京滬幹線上，實現了距離2000公里的量子密鑰分發，“墨子號”也完成了7600公里的洲際量子密鑰分發。為什麼這次實驗的1120公里還這麼重要？

潘建偉解釋，之前長距離的量子密鑰分發都要藉助一種設備——中繼節點，京滬幹線需要32箇中繼節點“接力”轉發，洲際量子密鑰分發也需要以“墨子號”作為中繼節點。“在陸地上，點對點的光纖量子密鑰分發，我們在實驗室條件下取得的最好的成績是500公里，在實際應用中大概百公里左右就需要建立一箇中繼節點。”潘建偉説：“這其中面臨的安全問題，就是中繼節點必須得到人為保障。例如，如果‘墨子號’被別人控制了，那麼就存在密鑰泄露的風險。”

這次實驗，讓科學家們看到了解決這個問題的可能——在實驗中，衞星作為糾纏源，只負責分發糾纏，本身並不掌握密鑰的任何信息，所生成的密鑰不依賴可信中繼，進一步提升了量子保密通信的現實安全性。潘建偉説：“哪怕衞星被別人控制了，密碼也是安全的。”《自然》雜誌審稿人稱讚該工作“展示了一項開創性實驗的結果”，“我的確認為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發協議的實驗實現是一個里程碑”。

而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以下，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、商業化應用奠定基礎。

潘建偉坦言，目前的成果還屬於原理演示，要具有實用價值還需要較長時間，“依賴於衞星等各方面技術的進步”。但“結合最新發展的量子糾纏源技術，未來衞星上可每秒產生10億對糾纏光子，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，讓安全的實用化量子密鑰分發網絡成為可能”。