[科学技术]1120公里！“墨子号”再创佳绩

在西藏阿里天文台，墨子量子科学实验卫星过境，研究人员正在做实验(合成照片)。新华社记者金照片

1120公里！最近，“墨子”量子科学实验卫星有了新的贡献:科学家利用墨子作为量子纠缠源，将量子纠缠分配到两个遥远的地方，在世界上首次实现了基于纠缠的量子密钥分配，为量子通信的实际应用奠定了重要基础。

最近，科学家首次利用墨子在世界范围内实现了基于纠缠的数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保密通信的空距离提高了一个数量级，而且保证了即使卫星被其他方通过物理原理控制，保密量子通信仍然可以实现，从而为量子通信的实际应用奠定了重要基础。

实验由中国科学技术大学的潘建伟及其同事与牛津大学的阿图尔·埃克特、上海技术物理研究所的王建宇团队、中国科学院、微卫星创新研究所、光电技术研究所等相关团队共同完成。这项成就最近发表在国际顶级学术期刊《自然》的网上。

无条件安全量子通信

量子是物质最基本的单位，是能量的基本载体，不能分割复制。对人们来说，分子、原子、电子、光子等所有众所周知的微观粒子都被称为量子。一般用光子做量子。

所谓的量子密钥分发，简而言之就是生成一组量子密钥，并在两个遥远地方的用户之间安全共享，对传输的二进制信息进行加密。这种量子通信之所以受到科学家的高度期待，是因为除了信息的发送方和接收方之外，如果有第三方试图复制或窃听量子密钥，通信双方都会立即注意到。

这种新的通信方式的实现是基于量子叠加和不可重复的特性。根据经典物理学，一个物体，比如一只猫，只有两种状态，要么活着，要么死了。但是，在量子世界里，这只猫可以处于生与死的叠加。但是，这种叠加态是极其脆弱的。一旦有人测量它，它的状态(生死)会立即改变，而不是原来的猫。换句话说，如果有人试图窃听一个量子密钥，就需要提前测量传输密钥的量子状态。而脆弱的叠加态一旦被测量或复制，就会导致量子本身立即改变原来的状态，从而被双方探测到。

“量子通信克服了经典加密技术固有的安全风险，因为它的安全性不依赖于计算复杂度。这是一种原则上无条件安全的通信方式。一旦有窃听，就会被发现。”潘建伟说。

在潘建伟看来，量子密钥分发就像一个人想把秘密传给另一个人，需要把秘密盒子和一把密钥传给接收者。接收者只有用这把钥匙打开盒子才能得到秘密。没有这个钥匙，别人是打不开盒子的，一旦这个钥匙被别人碰过，发送方会立即发现原来的钥匙会失效，并给一个新的钥匙，直到保证接收者自己拿到为止。

“量子技术，其基本概念是利用量子物理的规律来操纵微观物质，如原子、分子、电子等，从而获得宏观物质世界无法实现的功能，而量子密码是本文所涉及的关键。理论上，量子加密通信是不能被窃听的。”自然集团副总裁杨晓鸿说。

实际应用面临挑战

理想丰满，现实骨感。原则上，无条件安全的量子通信仍然面临两大挑战:一是长距离传输造成的信号丢失；第二，真实设备的不完善导致的安全漏洞，比如光源，探测器。因此，在现实条件下实现长距离量子通信并不像听起来那么简单。

以信号丢失为例。科学家一般用单光子作为物理载体来传输密钥，但由于单光子信号无法放大，传输通道——光纤吸收单光子，单光子信号的损耗随着传输距离的延长呈指数级增加。经过30多年的不懈努力，国际学术界已经将实验室点对点光纤量子密钥分发的距离提高到500公里。

如何实现更远距离的量子通信？使用可信中继是一种有效的方法。什么是可信中继？按照潘建伟的说法，可以理解为“接力跑”:单个光子在光纤中从地A跑到地B，但是没有力量跑。这时可以设置一个值得信赖的节点，让钥匙“落地”，然后其他光子就可以向前跑了。例如，利用墨子作为中继站，中国科学家在自由空海峡实现了7600公里的洲际通信。

“理论上，只要没有人爬到卫星上偷听，那么我们的通信就是安全的。但是这些中继节点的安全性还是需要人为保证的。”潘建伟举了一个例子:如果人们使用卫星作为中继节点，卫星持有用户分发的所有密钥。这样一来，还有一个问题:如果这颗卫星是其他国家制造的，就可能存在信息泄露的风险。

那么，如何规避这种潜在的风险呢？2017年，《墨子》首次实现了几千公里量级的量子纠缠分布，成功完成了既定的科学目标。这时，潘建伟想出了一个新主意:发射一颗卫星要花很多钱。能否尝试用墨子作为量子纠缠源，而不是量子密钥的中继点，实现基于纠缠的长距离量子密钥分发？

基于纠缠的量子密钥分配原理是，无论两个粒子相距多远，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。“有了这个特性，我们可以直接生成一组量子密钥，并在遥远的地方的用户之间安全共享，对传输的二进制信息进行加密。”潘建伟说。

安全通信的重要一步

奔向科学巅峰，研究团队在墨子量子卫星前期实验工作和技术积累的基础上，对地面望远镜的主光学和后光路进行了升级，实现了单面双面四重接收效率。

在技术的支持下，墨子量子卫星以每秒两对光子的速度与新疆乌鲁木齐南山站站和青海德令哈站两个地面站建立了光链路，并在离地1120公里以上的两个站之间建立了量子纠缠，然后以每秒0.12比特的最终码率在有限的码长下生成密钥。

“在这个实验中，卫星作为量子纠缠的来源，只负责分配量子纠缠，不掌握量子密钥的任何信息；用户之间的密钥直接通过量子纠缠产生，不需要卫星中转。”潘建伟说，由于纠缠粒子的测量最终由用户进行，根据量子纠缠的特点，即使纠缠源是由不可信方提供的，只要最终在用户之间检测到量子纠缠，就可以生成安全密钥。因此，可以完全解决量子通信源不完善带来的安全问题，最终保证量子通信的真正安全性。

对此，《自然》的评论者称赞这项工作，“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，刚发射墨子卫星的时候，他不敢想象自己能取得今天的成就，一路“边走边下蛋”，终于在科研上取得了这一重要突破。“但是，这一科研成果目前还只是科学原理的论证，离实际应用还有很长的路要走。”潘建伟说。

关于下一步的发展，他说，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，密钥编码率最终会提高到每秒几十位或者每次传输几万位。到那时，安全量子通信的梦想有望实现。(记者申会)