重磅！墨子號(hào)實(shí)現(xiàn)世界首次千公里級(jí)量子糾纏密鑰分發(fā)

據(jù)央視新聞客戶端消息，經(jīng)過多年研究攻關(guān)，中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合牛津大學(xué)等國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)，通過“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)。該實(shí)驗(yàn)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了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且通過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。這一成果15日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”作為量子糾纏源，通過對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡進(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)”衛(wèi)星過境時(shí)，同時(shí)與新疆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1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，產(chǎn)生量子密鑰，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于糾纏的千公里級(jí)量子保密通信。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹，基于糾纏的量子保密通信，利用空間信道的衰減比較少，把點(diǎn)對(duì)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)密鑰分發(fā)的距離由百公里量級(jí)提升到了一千公里。未來一軌就能夠產(chǎn)生約4萬個(gè)密鑰，這對(duì)于一些絕密的或者說高密級(jí)的信息傳輸已經(jīng)夠了。

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星介紹

量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式，但要走向廣泛應(yīng)用，還需解決安全性和遠(yuǎn)距離傳輸兩大問題。通過國(guó)際學(xué)術(shù)界30多年的努力，目前現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)達(dá)到了百公里量級(jí)。使用可信中繼可有效拓展量子通信的距離，比如量子京滬干線通過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)。然而，中繼節(jié)點(diǎn)的安全仍然存在安全隱患，需要得到人為保障。研究團(tuán)隊(duì)利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠(yuǎn)兩地直接分發(fā)糾纏，為實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。

潘建偉介紹，這一成果主要依賴于糾纏的概念，一對(duì)光子糾纏后往兩個(gè)地方分發(fā)的時(shí)候，如果其中只要有任何一個(gè)光子被看到過的話，這個(gè)糾纏就沒有了，那么就能夠知道這個(gè)密碼是不安全的了，所以哪怕衛(wèi)星是由你所不信任的人造的，那么最后密鑰分發(fā)之后，如果它能夠滿足一定的糾纏關(guān)系，它也是安全的。

據(jù)了解，基于該研究成果發(fā)展起來的高效星地鏈路收集技術(shù)，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，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)，為將來衛(wèi)星量子通信的規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，我國(guó)正在規(guī)劃建設(shè)量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，每秒可產(chǎn)生10億對(duì)糾纏光子，最終密鑰成碼率有望大幅提高，為其實(shí)用化提供必要的技術(shù)支持。

《自然》期刊高級(jí)編輯費(fèi)德里科·利瓦伊評(píng)價(jià)，“這是一項(xiàng)非常重要的突破，研究人員將光子制備、分發(fā)和測(cè)量的效率提升到了足夠高的水平，從而確保能夠生成安全密鑰。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)首次演示了基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)，是邁向量子安全通信道路上的一個(gè)重要里程碑。”