“1120公里！“墨子号”再创佳绩”

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120公斤！ 最近，墨子号量子科学实验卫星再次做了新的工作:科学家们以墨子号为量子纠缠源，使遥远的两地发生了量子纠缠，国际上首次实现了基于千公里级纠缠的量子密钥，为量子通信在现实中的应用奠定了重要的基础。

最近，科学家们利用墨子号在国际上首次实现了基于千公里级纠缠的量子密钥。 该实验成果不仅使传统地面无中继量子保密通信的空间距提高了一个数量级，而且通过物理原理确保了卫星在另一方受控的极端情况下也能实现安全的量子通信，为量子通信的现实应用奠定了重要的基础。

该实验是与中国科学技术大学潘建伟及其同事、牛津大学阿瑟·埃克特、中国科学院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队共同完成的。 这项成果最近在国际顶级学术杂志《自然》杂志上在线发表。

无条件安全的量子通信

量子是构成物质的最基本单位，是能量的基本携带者，不能分割和复制。 对人们来说，众所周知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都被称为量子。 光子通常用于制造量子。

逐个发送量子密钥，简单地说，就是在两个遥远的客户端之间生成一组量子密钥，安全共享，加密传输的二进制新闻。 这种量子通信方法被科学家们所期待，不仅是因为新闻的收发者，而是因为当第三方试图复制或窃听量子密钥时，通信双方很快就会意识到。

这种新的通信方法的实现基于量子叠加和不可复制的特征。 根据经典物理学，猫之类的物体，其状态只有两种，是生是死。 但在量子世界里，这只猫又可以处于生而死的重叠状态。 但是，这种重叠状态极其脆弱，一旦有人去测量，其状态(又生又死)很快就会改变，不再是原来的猫。 换言之，如果有人要窃听量子密钥，则需要预先测量传输密钥的量子状态，但是如果量子本身由于脆弱的叠加状态而被测量或复制，则原始状态马上发生变化，并被通信双方感知。

量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患。 由于其安全性不依赖于计算的多少和复杂性，因此在原理上是无条件安全的通信方法，一旦存在窃听就必然会被发现。 潘建伟说。

潘建伟说，量子密钥接二连三地被发送，就像一个身体试图将秘密传播到另一个身体一样，需要将储存秘密的箱子和密钥传达给接收者。 接收者只要用这把钥匙打开箱子，就能收到秘密。 没有这把钥匙，其他人不能打开箱子。 但是，如果这个钥匙被别人动了，发件人很快就会发现原来的钥匙失效，然后给你新的钥匙直到收件人本人拿到。

量子技术，其基本概念是利用量子物理定律操作原子、分子、电子等微观物质，获得宏观物质世界无法实现的功能，其中的量子密码学是这篇论文涉及的关键。 理论上，量子加密的通信不会被窃听。 自然集团副总裁杨晓虹说。

实际的应用面临着挑战

理想丰满，现实骨气十足。 原理上无条件安全的量子通信为了从实验室走向广泛的应用，仍然面临着两大挑战:一是远程传输造成的信号损耗；二是光源、探测器等不完全性造成的安全漏洞。 因为，在现实条件下实现远距离的量子通信并不是那么容易听到的。

以信号损失为例。 科学家们通常以单光子作为物理载体传输密钥，但单光子信号不能放大，因此加上驻传输光纤对单光子的吸收，随着传输距离的延长，单光子信号的损耗呈指数级增加。 经过30多年不懈的努力，目前国际学术界在实验室中将点对点光纤量子密钥逐一提高到500公里。

如何实现更长距离的量子通信？ 采用可靠的中继是一种行之有效的方法。 什么是可靠的中继？ 潘建伟可以理解为接力跑:单光子在光纤中从a地跑到b地，但没有跑的力气。 这时，设置可靠的节点掉钥匙，其他光子可以跟着往前跑。 例如，利用墨子号作为中继，中国科学家在自由空间信道上实现了7600公里的洲际通信。

理论上说，如果没有人登上卫星窃听，我们的通信就安全了。 但是，这些中继节点的安全仍然需要人为保障。 潘建伟举了一个例子:如果人们采用卫星作为中继节点，卫星就会掌握客户陆续发送的所有密钥。 这样，带来了另一个问题。 如果这颗卫星是别国制造的话，可能有新闻泄露的风险。

那么，如何避免这种潜在的风险呢？ 年，墨子号首次逐一实现了千公里级自由空间量子纠缠，圆满实现了既定的科学目标。 就在这时，潘建伟有了新的想法。 发射卫星花了很多经费。 可以利用墨子号而不是量子密钥的中继点作为量子纠缠源，逐一发行基于纠缠的远程量子密钥吗？

基于纠缠的量子密钥逐一发出的原理是，无论处于纠缠状态的两个粒子之间有多远，只要测量一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会相应地变得明确。 利用这一特点，远程客户可以直接生成一组量子密钥，安全共享，并对传输的二进制新闻进行加密。 潘建伟说。

实现安全通信的重要一步

奔向科学高峰，基于墨子号量子卫星前期实验事业和技术积累，研究小组通过升级地面望远镜的主光学和后光路，实现了单边两倍、双边四倍的接收效率提高。

有技术支持，墨子号量子卫星越界时，与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，以每秒2对光子的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠，进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码率生成密钥

在这个实验中，卫星作为量子纠缠源，只负责一个量子纠缠，没有掌握量子密钥任何消息的客户端之间的密钥直接由量子纠缠生成，不需要卫星中继。 潘建伟表示，由于纠缠粒子的测量最后由客户端进行，因此根据量子纠缠的特征，即使纠缠源由不可靠的对方提供，只要客户端之间最终检测到量子纠缠，就会产生安全密钥。 因此，由量子通信源端的不完全性引起的安全问题得到了完全处理，最终确保了量子通信的现实安全性。

与此相反，《自然》杂志的审稿人称赞这项事业，实现不依赖可靠中继的长距离纠缠量子密钥一一协商是一个里程碑。 潘建伟坦言，刚发射墨子号卫星时，自己也不梦想取得今天的成果，通过边走边下蛋，最终这项重要的科学研究取得了突破。 但是，这次的科研成果目前只是科学上的原理演示，离实际应用还有很长一段路。 潘建伟说。

关于下一步的迅速发展，他说，结合最新迅速发展的量子纠缠源技术，未来卫星每秒可以产生10亿对纠缠光子，最终密钥码率将提高到每秒数十位或单次越界数万位。 届时，安全量子通信的梦想有望走向现实。 (记者沈慧)