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1120公里！“墨子号”再创佳绩 安全通信重要一步( 二 )


如何实现更远距离的量子通信？使用可信中继是一个行之有效的方法 。 什么是可信中继？潘建伟认为可以理解为“接力跑”：单光子在光纤中从a地要跑到b地 ， 可跑着跑着没力气了 ， 这时就可以设置个值得信赖的节点让密钥“落地”一下 ， 再由其他光子接着向前跑 。 比如 ， 利用“墨子号”作为中继 ， 中国科学家在自由空间信道实现了7600公里的洲际通信 。
“理论上讲 ， 只要没有人爬到卫星上去窃听 ， 那么 ， 我们的通信就是安全的 。 但是 ， 这些中继节点的安全仍然需要得到人为保障 。 ”潘建伟举了个例子：如果人们使用卫星作为中继节点 ， 卫星就掌握着用户分发的全部密钥 。 如此一来 ， 便带来了另外一个问题：假如这个卫星是别国制造的 ， 就可能会存在信息泄露的风险 。
那么 ， 如何避免这一可能存在的潜在风险？2017年 ， “墨子号”首次实现千公里量级的自由空间量子纠缠分发 ， 圆满完成了既定科学目标 。 此时 ， 潘建伟萌生了一个新的想法：发射一颗卫星花了不少经费 ， 可不可以尝试一下利用“墨子号”作为量子纠缠源 ， 而不是量子密钥的中继点 ， 实现基于纠缠的远距离量子密钥分发？
基于纠缠的量子密钥分发的原理是 ， 无论处于纠缠状态的两个粒子之间相隔多远 ， 只要测量了其中一个粒子的状态 ， 另一个粒子的状态也会相应确定 。 “利用这一特性 ， 我们可以在遥远两地的用户间直接生成并安全共享一组量子密钥 ， 为所传输的二进制信息加密 。 ”潘建伟表示 。
实现安全通信重要一步
向着科学的高峰努力奔跑 ， 基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作与技术积累 ， 研究团队通过对地面望远镜主光学与后光路进行升级 ， 实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升 。
有了技术的支撑 ， “墨子号”量子卫星过境时 ， 同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比特的最终码速率产生密钥 。
“在该实验中 ， 卫星作为量子纠缠源 ， 只负责分发量子纠缠 ， 不掌握量子密钥的任何信息；用户间的密钥是通过量子纠缠直接产生的 ， 不再需要卫星的中转 。 ”潘建伟说 ， 由于对纠缠粒子的测量最后是由用户端来进行 ， 根据量子纠缠特性 ， 即使纠缠源由不可信的他方提供 ， 只要用户间最终检测到量子纠缠 ， 就可以产生安全的密钥 。 所以 ， 量子通信源端不完美带来的安全问题可以得到完全解决 ， 最终确保了量子通信的现实安全性 。
对此 ， 《自然》杂志审稿人称赞该工作 ， “不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验实现是一个里程碑 。 ”潘建伟坦言 ， 刚发射“墨子号”卫星时 ， 自己也不敢幻想能取得今天的成果 ， 一路“边走边下蛋” ， 最终有了这一重要科研突破 。 “然而 ， 这次科研成果目前只是科学上的原理演示 ， 距离实际应用仍有很长的路要走 。 ”潘建伟说 。
【1120公里！“墨子号”再创佳绩 安全通信重要一步】关于下一步的发展 ， 他说 ， 结合最新发展的量子纠缠源技术 ， 未来卫星上可每秒产生10亿对纠缠光子 ， 最终密钥成码率将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特 。 届时 ， 安全的量子通信的梦想将有望照进现实 。


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