““墨子号”实现无中继千公里量子保密通信”

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远程安全量子通信再次被突破！

来自中国科学技术大学等国内外机构的研究小组利用墨子号量子科学实验卫星，相继在国际上实现了第一个千公里级纠缠态的量子密钥。 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受对方控制的极端情况下也能实现安全的量子通信，取得了量子通信现实应用的重要突破。 相关研究成果于6月15日在《自然》杂志上在线发表。

量子通信从原理上提供了无条件、安全的通信方法，但要从实验室走向广泛的应用，必须处理好两大挑战，分别是现实条件下的安全性问题和远程传输问题。 在现有技术水平上，采用可靠的中继，可以比较有效地扩展量子通信的距离，如墨子号量子卫星作为中继，在自由空之间的信道中可以扩展到7600公里的洲际距离。 但是，尽管可靠的中继在现有的通信方法中线路整体的安全风险被限制在有限的中继节点的范围内，中继节点的安全也需要人为地得到保障。 中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟说。

实现远距离安全量子通信的最佳处理方案是通过量子中继和纠缠结合量子密钥。 基于纠缠量子密钥分别产生的原理是，无论处于纠缠状态的粒子之间有多远，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，这个特征可以用于在遥远的两地的顾客之间产生密钥。

利用卫星作为量子纠缠源，通过自由空间信道在远距离直接逐个纠缠，为现有技术条件下实现纠缠量子保密通信提供了可能的途径。

根据墨子号量子卫星前期实验工作和技术积累，研究小组通过升级地面望远镜的主光学和后光路系统，实现了单边2倍、双边4倍的接收效率提高。 墨子号量子卫星通过时，与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立了光链路，以每秒两对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立了量子纠缠，进而可以以有限码长每秒0.12比特的最终码率生成密钥。 实验中，通过在地面接收光路和单光子探测器等方面进行仔细的设计和防护，保证了公平采样和对所有已知侧通道的免疫，生成的密钥不依赖可靠的中继，保证了现实的安全性。 潘建伟表示，结合最新快速发展的量子纠缠源技术，未来卫星每秒将产生10亿个纠缠光子，最终密钥合成码率将提高到每秒数十位或单次越境数万位。

对此，《自然》杂志的审稿人称赞这是为构建全球化量子密钥而逐一传播互联网和量子网络的重要一步。 确实，我认为不依赖可靠中继的长距离纠缠量子密钥的每一个协议的实现是一个里程碑。

潘建伟认为，基于这一研究成果迅速发展的高效星地链路采集技术，量子卫星的负载重量可以从现有数百公斤降至数十公斤以下，并且地面接收系统的重量可以从现有的10吨大幅降低到100公斤左右，实现接收系统的小型化、可搬运， (记者陆成宽)