“墨子號(hào)”取得的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果開(kāi)啟了全球化量子通信

時(shí)代之門(mén)。

遨游在太空的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“墨子號(hào)”）有了屬于自己的“正式名稱(chēng)”。2020年9月11日，國(guó)家重大文化工程《辭海》（第七版）正式對(duì)外發(fā)布，本次新增內(nèi)容中添加了“量子通信”“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”等詞條。

“十三五”期間，我國(guó)在量子科技領(lǐng)域取得了一系列重大進(jìn)展。2016年我國(guó)成功發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星——“墨子號(hào)”，并圓滿完成星地量子密鑰分發(fā)等三大科學(xué)目標(biāo)。2017年，世界首條千公里級(jí)量子保密通信干線——京滬干線建成啟用，與“墨子號(hào)”相結(jié)合，我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信。今年，一支聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)……

———————————————

超出預(yù)期壽命令人驚喜

———————————————

“墨子號(hào)”于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2017年1月18日正式開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

“‘墨子號(hào)圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)定的全部三大科學(xué)目標(biāo)，為我國(guó)在未來(lái)繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問(wèn)題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授表示。

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)之一。“墨子號(hào)”與河北興隆地面光學(xué)站建立了光鏈路，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬(wàn)億億倍）。

實(shí)現(xiàn)地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號(hào)”的又一科學(xué)目標(biāo)。量子隱形傳態(tài)可利用量子糾纏將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送粒子本身?！澳犹?hào)”量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

量子糾纏被愛(ài)因斯坦稱(chēng)之為“鬼魅般的超距作用”。這種作用在更遠(yuǎn)的距離上是否仍然存在？會(huì)不會(huì)受到引力等其他因素的影響？作為衛(wèi)星的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)之一，“墨子號(hào)”在國(guó)際上首次在空間尺度上開(kāi)展了量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

2020年6月15日，“墨子號(hào)”在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，將以往地面無(wú)中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且通過(guò)物理原理確保了即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下依然能實(shí)現(xiàn)安全的量子通信，取得了量子通信現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要突破。

據(jù)悉，“墨子號(hào)”預(yù)計(jì)將超出預(yù)期壽命，繼續(xù)工作至少兩年以上，并展開(kāi)更多國(guó)際合作。

———————————————

拓展量子通信的距離

———————————————

量子通信是利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控的一種通信形式，能夠有效解決信息安全問(wèn)題。

通常講，量子通信分為兩種，一種是量子密鑰分發(fā);另一種是量子隱形傳態(tài)。

量子密鑰分發(fā)通過(guò)量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶(hù)共享無(wú)條件安全的密鑰，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，是不可竊聽(tīng)、不可破譯的安全通信方式。

“量子密鑰分發(fā)，就好比一個(gè)人想要傳遞秘密給另外一個(gè)人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開(kāi)箱子，才能取到秘密。沒(méi)有這把鑰匙，別人無(wú)法打開(kāi)箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動(dòng)過(guò)，傳送者會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到?！迸私▊フf(shuō)。

量子通信提供了一種原理上無(wú)條件安全的通信方式，但要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用，還需要解決兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實(shí)條件下的安全性問(wèn)題和遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題。通過(guò)國(guó)際學(xué)術(shù)界30余年的努力，目前現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達(dá)到了百公里量級(jí)。

那么，如何再進(jìn)一步有效拓展量子通信的距離？在現(xiàn)有技術(shù)水平下，使用可信中繼能夠做到。也就是說(shuō)將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸改為分段傳輸，并采用中繼技術(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，即將整個(gè)通信線路分幾段，每段損耗都較小，再通過(guò)中繼器將這幾段連接起來(lái)，并且這些中繼器是可被信任的。

于2017年9月29日正式開(kāi)通的世界首條量子保密通信京滬干線就是通過(guò)32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，貫通了全長(zhǎng)2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡(luò);而利用量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”作為中繼，在自由空間信道進(jìn)一步拓展到了7600公里的洲際距離。

———————————————

杜絕信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)

———————————————

盡管可信中繼將傳統(tǒng)通信方式中整條線路的安全風(fēng)險(xiǎn)限制在有限個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)范圍，中繼節(jié)點(diǎn)的安全仍然需要人為保障。例如，在星地量子密鑰分發(fā)過(guò)程中，量子衛(wèi)星作為可信中繼，掌握著用戶(hù)分發(fā)的全部密鑰，如果衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。那么，怎樣杜絕這種信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)？潘建偉認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通信的最佳解決方案是結(jié)合量子中繼和基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。

基于糾纏的量子密鑰分發(fā)的原理是，無(wú)論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要測(cè)量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)確定，這一特性可以用來(lái)在遙遠(yuǎn)兩地的用戶(hù)間產(chǎn)生密鑰。

潘建偉進(jìn)一步解釋?zhuān)骸坝捎趯?duì)粒子的測(cè)量最后是由用戶(hù)端來(lái)進(jìn)行，所以糾纏源（例如衛(wèi)星）不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源由不可信的他方提供，只要用戶(hù)間最終檢測(cè)到量子糾纏，就可以產(chǎn)生安全的密鑰。因此，量子通信源端不完美帶來(lái)的安全問(wèn)題可以得到完全解決，進(jìn)一步提高了量子通信的現(xiàn)實(shí)安全性?！?/p>

原理上，利用量子中繼可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，但實(shí)用化的量子中繼還需要較長(zhǎng)時(shí)間。利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過(guò)自由空間信道在遙遠(yuǎn)兩地直接分發(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路?！澳犹?hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在2017年首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)就成為國(guó)際學(xué)術(shù)界期盼的目標(biāo)。

基于“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作和技術(shù)積累，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)和后光路進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，同時(shí)與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個(gè)地面站建立光鏈路，以每秒2對(duì)的速度在地面超過(guò)1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，進(jìn)而在有限碼長(zhǎng)下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。

“在實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)對(duì)地面探測(cè)裝置進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和防護(hù)，保證了公平采樣和對(duì)所有已知側(cè)信道的免疫，所生成的密鑰可不依賴(lài)可信中繼，并實(shí)現(xiàn)了探測(cè)設(shè)備的安全性。”潘建偉說(shuō)。

結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來(lái)衛(wèi)星上可每秒產(chǎn)生10億對(duì)糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過(guò)境幾萬(wàn)比特。

———————————————

太空最耀眼的“科學(xué)之星”

———————————————

潘建偉介紹：“我們?cè)诓恍枰魏慰尚胖欣^的情況下，把量子密鑰分發(fā)的實(shí)際距離從之前的100公里提高到了1120公里，突破1000公里量級(jí)。在我看來(lái)更加重要的是，即使作為量子糾纏源的衛(wèi)星，是由別人制造的，是不可信的，只要按照我們這個(gè)程序來(lái)做，它產(chǎn)生的密鑰也是安全的?！?/p>

“墨子號(hào)”取得的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，獲得了國(guó)際社會(huì)的好評(píng)，并開(kāi)啟了全球化量子通信時(shí)代之門(mén)。

《自然》雜志審稿人稱(chēng)贊該工作“展示了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果”，“這是朝向構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步，我的確認(rèn)為不依賴(lài)可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑”。

星地量子密鑰分發(fā)的實(shí)現(xiàn)，為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以此為基礎(chǔ)，把衛(wèi)星作為可靠的中繼站，可實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

潘建偉表示，今年的成果方案還屬于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的成果，離真正實(shí)用化還有很長(zhǎng)的路要走?！皩?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通信，我們最理想的解決方案是全球化的基于糾纏的無(wú)中繼量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，也是我們?cè)诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域的最終目標(biāo)，這還需要階段性地一步一步往前走。”

據(jù)悉，基于該研究成果發(fā)展起來(lái)的高效星地鏈路收集技術(shù)，未來(lái)可以將量子衛(wèi)星載荷重量由現(xiàn)有的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時(shí)將地面接收系統(tǒng)的重量由現(xiàn)有的10余噸大幅降低到100公斤左右，實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運(yùn)，為將來(lái)衛(wèi)星量子通信的規(guī)?；?、商業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

記者了解到，2018年，潘建偉團(tuán)隊(duì)榮獲有著諾貝爾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)之稱(chēng)的“沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)”。獲獎(jiǎng)?wù)呓榻B中專(zhuān)門(mén)提到：“量子密鑰分發(fā)在光纖中已經(jīng)能做到幾百公里，另一個(gè)就是‘墨子號(hào)做到的星地1200公里?！?/p>

2019年1月31日，“墨子號(hào)”科研團(tuán)隊(duì)被授予2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)。這是90多年來(lái)中國(guó)科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽(yù)。

迄今，“墨子號(hào)”研究團(tuán)隊(duì)已在《自然》及《科學(xué)》雜志發(fā)表了5篇研究論文，為我國(guó)在未來(lái)繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問(wèn)題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

國(guó)際權(quán)威期刊《自然》雜志曾評(píng)價(jià)：“墨子號(hào)”研究成果標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，并將領(lǐng)先于歐洲和北美。

———————————————

◎ 來(lái)源| 綜合科技日?qǐng)?bào)、人民日?qǐng)?bào)