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【解放日報】“墨子號”實現千公里無中繼量子通信

2020-06-16 解放日報 黃海華
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  中國科學技術大學潘建偉及同事彭承志、印娟等組成的研究團隊,聯合牛津大學阿圖爾·埃克特、中科院上海技術物理研究所王建宇團隊、微小衛星創新研究院、光電技術研究所等團隊,利用“墨子號”量子科學實驗衛星,在國際上首次在兩個地面用戶之間實現千公里級無中繼的量子密鑰分發。該實驗成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高一個數量級,并且通過物理原理確保即使在衛星被他方控制的極端情況下依然能實現安全的量子通信,取得量子通信現實應用的重要突破。6月15日,相關研究論文在線發表于國際權威學術期刊《自然》。

  量子是構成物質的最基本單元,不可分割。量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式,但需要解決兩大挑戰,分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。

  通過國際學術界30余年的努力,目前現場點對點光纖量子密鑰分發的安全距離達到百公里量級。在現有技術水平下,使用可信中繼可以有效拓展量子通信的距離,比如世界首條量子保密通信京滬干線通過32個中繼節點,貫通全長2000公里的城際光纖量子網絡;而利用量子科學實驗衛星“墨子號”作為中繼,在自由空間信道進一步拓展到7600公里的洲際距離。然而,中繼節點的安全仍然需要人為保障。例如,在星地量子密鑰分發過程中,量子衛星作為可信中繼,掌握著用戶分發的全部密鑰,但如果衛星被他方控制,就存在信息泄露風險。

  實現遠距離安全量子通信的最佳解決方案是基于糾纏的量子密鑰分發。量子糾纏,由量子疊加原理引申出來。如果把量子疊加原理用于多個量子的情況就是量子糾纏,它是兩個(或多個)粒子共同組成的量子狀態。無論處于糾纏狀態的粒子之間相隔多遠,只要測量了其中一個粒子的狀態,另一個粒子的狀態也會相應確定,這一特性可以用來在遙遠兩地的用戶間直接產生密鑰,而不需要可信中繼來中轉。由于對粒子的測量局域地發生在用戶端,糾纏源不掌握密鑰的任何信息,即使糾纏源(例如衛星)由不可信的他方控制,只要用戶間檢測到量子糾纏,就可以產生安全的密鑰。這進一步提高了量子通信的現實安全性。

  “墨子號”2017年首次實現千公里級星地量子糾纏分發后,實現遠距離量子密鑰分發就成為國際學術界熱切期盼的目標。研究團隊通過對地面望遠鏡主光學和后光路進行升級,實現了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號”同時與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路,以每秒2對的速度在超過1120公里的兩站之間建立量子糾纏,進而以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。

  潘建偉介紹,基于該研究成果發展起來的高效星地鏈路收集技術,可將量子衛星載荷重量由現有的幾百公斤降至幾十公斤以下,同時將地面接收系統的重量由現有的10余噸大幅降低到100公斤左右,實現接收系統的小型化、可搬運,為將來量子通信的規模化、商業化應用奠定基礎。“這一科學實驗雖然實現了從0到1的飛躍,但由于每秒只能傳0.12比特的密鑰,暫時還沒有實用價值。隨著量子糾纏源技術的發展,未來衛星上可每秒產生10億個糾纏光子,最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特。”

打印 責任編輯:侯茜

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