PingWest品玩|卫星被劫也不会泄密，这项量子通信研究为什么重要？

“这是构建全球化量子密钥分发网络、甚至量子互联网的重要一步。 ”
获得《自然》杂志审稿人上述赞誉的，是 2020 年 6 月 15 日发表的一篇论文——《基于纠缠的 1120 公里安全量子加密》（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）。

该论文展示了：没有用地面中继器情况下，借助“墨子号”量子科学实验卫星，在相隔 1120 公里的两个地面站之间，成功实现基于纠缠的量子密钥分发。此外，论文结果还显示，即使在卫星被他方控制的极端情况下，通过物理原理依然能实现安全量子通信。
“墨子号”是中国乃至世界首颗量子科学实验卫星，在 2011 年正式立项，于 2016 年 8 月由长征二号丁火箭发射升空，其目的是实现覆盖全球的广域量子保密通信。
要理解上面论文成果，得先了解一些量子通信的技术背景。
先要说明的是， “量子” 这一概念，并不特指某一种具体粒子。光子、电子或原子等微观粒子都是量子范畴。
量子通信因其信息保密性，被视为加密传输消息的利器。理论上，量子信息传输瞬时完成，是不可破解的。
但实现层面上，为了交换加密消息，量子通信需要使用光子分布密钥（加密和解密密文的“钥匙”）。这个过程被称之为“量子密钥分发”（Quantum Key Distribution ，简称 QKD）。

由于随着传输距离变长，光子损耗会迅速增加，因此在实际应用中，两个用户之间的量子密钥分发距离，被限制为大约 100 公里。
要延长距离并且避免光子损耗，得加入中继器。但只要涉及中继节点，就会有被他方控制的风险。
比如，世界首条量子保密通信“京沪干线” ，虽然提供了 2000 公里的光纤量子网络，但有 32 个中继节点，每个节点安全都需要人为保障。

取代地面中继器的一个方法，是利用量子通信卫星进行量子密钥分发。
2018 年 1 月，在自由空间信道，中国和奥地利利用 “墨子号”，实现了洲际量子密钥分发，距离达 7600 公里。但如果采用这种方法， “墨子号”卫星掌握着用户分发的全部密钥，如果卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。
【PingWest品玩|卫星被劫也不会泄密，这项量子通信研究为什么重要？】利用量子的纠缠特性，成为解决这种风险的一副良方。量子纠缠是指，两个或多个粒子相互依存的状态，即使它们相隔数光年之远。处于纠缠状态的粒子，无论相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子状态也会相应确定。
从物理原理上说，由于对量子的测量，发生在地面站用户端，纠缠源（卫星）不掌握密钥任何信息，即使卫星被他方劫持了，密钥也不会泄漏。但在该论文发表前，基于卫星纠缠的分发，不仅效率低下，而且错误率高，不足以支持量子密钥分发。

因此，如何在保证安全的情况下，实现基于纠缠的远距离量子密钥分发，成为量子通信商业化、实用化的关键。
至此，我们可以总结一下量子密钥分发过去的技术局限：如果没有地面中继器，那么两个地面站（用户）之间的量子密钥分发，最远只能到 100 公里。如果借助量子通信卫星，会有被劫持风险，因此需要借助量子的纠缠特性，但纠缠分发的效率又不够高。