[科学技术]“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子密钥分发

量子密码术目前被认为是一种无法破译的密码。但是分发密码的卫星被别人控制了怎么办？这个安全漏洞可能会被关闭。中科院15日宣布，墨子量子科学实验卫星实现了全球首个基于纠缠的千公里量子密钥分发。实验结果不仅将以往地面无中继量子密钥分发的空距离提高了一个数量级，而且保证了即使在卫星被其他方通过物理原理控制的极端情况下也能实现安全的量子密钥分发。国际学术期刊《自然》于北京时间6月15日23: 00在网上公布了这一成果。

这项成果是由中国科学技术大学潘建伟教授和他的同事彭承志、尹娟组成的研究团队，联合牛津大学阿科特教授、上海技术物理研究所王建宇团队、微卫星创新研究所、中国科学院光电技术研究所等相关团队完成的。

潘建伟介绍，基于纠缠的量子密钥分配原理是，无论纠缠粒子相距多远，只要测量一个粒子的状态，另一个粒子的状态就会相应确定。这个特性可以用来生成异地用户之间的密钥。

在这个实验中，当墨子量子卫星过境时，科学家们与新疆乌鲁木齐的南山站站和青海的德令哈站这两个地面站建立了光链路，并在地面上以每秒两对的速度在1120多公里的地方建立了量子纠缠，从而在有限的码长下产生了最终码率为每秒0.12位的密钥。

潘建伟的团队已经在量子保密通信的京沪干线上分发了2000公里远的量子密钥，墨子也分发了7600公里远的洲际量子密钥。为什么这个实验的1120公里这么重要？

潘建伟解释说，长距离量子密钥分发过去依赖于一种设备——中继节点。京沪干线需要32个中继节点中继，洲际量子密钥分发也需要墨子作为中继节点。“在陆地上，点对点光纤量子密钥分发，我们在实验室条件下取得的最佳结果是500公里。在实际应用中，需要建立一个100公里左右的中继节点。”潘建伟说:“安全问题是中继节点必须人为保护。比如‘墨子号’被别人控制，就有密钥泄露的风险。”

在这个实验中，科学家可以看到解决这个问题的可能性。在实验中，卫星作为纠缠源，只负责分配纠缠，并不知道密钥本身的任何信息。生成的密钥不依赖可信中继，进一步提高了量子安全通信的实际安全性。潘建伟说:“即使卫星被别人控制，密码也是安全的。”《自然》的审稿人称赞这项工作“展示了一个开创性实验的成果”，“我确实认为，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”。

基于该研究成果开发的高效星地链路收集技术，可以将量子卫星的有效载荷重量从几百公斤降低到几十公斤以下，将地面接收系统的重量从10吨以上大幅降低到100公斤左右，从而实现接收系统的小型化和便携化，为未来卫星量子通信的大规模商业化应用奠定基础。

潘建伟承认，目前的成果还只是原理性的演示，需要很长时间才能有实用价值，“取决于卫星等方面的技术进步”。但“随着量子纠缠源技术的最新发展，未来卫星上可以产生10亿对纠缠光子，最终的密钥编码速率将提高到每秒几十位或单次中转几万位，使安全实用的量子密钥分发网络成为可能”。(记者齐芳)