墨子號

“墨子號”取得的一系列科學實驗成果開啟了全球化量子通信

時代之門。

遨游在太空的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星（以下簡稱“墨子號”）有了屬于自己的“正式名稱”。2020年9月11日，國家重大文化工程《辭海》（第七版）正式對外發(fā)布，本次新增內容中添加了“量子通信”“量子科學實驗衛(wèi)星”等詞條。

“十三五”期間，我國在量子科技領域取得了一系列重大進展。2016年我國成功發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星——“墨子號”，并圓滿完成星地量子密鑰分發(fā)等三大科學目標。2017年，世界首條千公里級量子保密通信干線——京滬干線建成啟用，與“墨子號”相結合，我國成功實現世界首次洲際量子保密通信。今年，一支聯合研究團隊利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)……

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超出預期壽命令人驚喜

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“墨子號”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日正式開展科學實驗。

“‘墨子號圓滿實現預定的全部三大科學目標，為我國在未來繼續(xù)引領世界量子通信技術發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。”中國科學技術大學潘建偉教授表示。

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號”的科學目標之一。“墨子號”與河北興隆地面光學站建立了光鏈路，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個數量級（萬億億倍）。

實現地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號”的又一科學目標。量子隱形傳態(tài)可利用量子糾纏將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身。“墨子號”量子隱形傳態(tài)實驗采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經典極限。

量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。這種作用在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？作為衛(wèi)星的三大科學實驗任務之一，“墨子號”在國際上首次在空間尺度上開展了量子糾纏分發(fā)實驗。

2020年6月15日，“墨子號”在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數量級，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現安全的量子通信，取得了量子通信現實應用的重要突破。

據悉，“墨子號”預計將超出預期壽命，繼續(xù)工作至少兩年以上，并展開更多國際合作。

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拓展量子通信的距離

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量子通信是利用量子力學原理對量子態(tài)進行操控的一種通信形式，能夠有效解決信息安全問題。

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)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，是不可竊聽、不可破譯的安全通信方式。

“量子密鑰分發(fā)，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，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箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發(fā)現，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。”潘建偉說。

量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式，但要從實驗室走向廣泛應用，還需要解決兩大挑戰(zhàn)，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(fā)的安全距離達到了百公里量級。

那么，如何再進一步有效拓展量子通信的距離？在現有技術水平下，使用可信中繼能夠做到。也就是說將點對點傳輸改為分段傳輸，并采用中繼技術進行級聯，即將整個通信線路分幾段，每段損耗都較小，再通過中繼器將這幾段連接起來，并且這些中繼器是可被信任的。

于2017年9月29日正式開通的世界首條量子保密通信京滬干線就是通過32個中繼節(jié)點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網絡;而利用量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”作為中繼，在自由空間信道進一步拓展到了7600公里的洲際距離。

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杜絕信息泄露的風險

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盡管可信中繼將傳統(tǒng)通信方式中整條線路的安全風險限制在有限個中繼節(jié)點范圍，中繼節(jié)點的安全仍然需要人為保障。例如，在星地量子密鑰分發(fā)過程中，量子衛(wèi)星作為可信中繼，掌握著用戶分發(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險。那么，怎樣杜絕這種信息泄露的風險？潘建偉認為，實現遠距離安全量子通信的最佳解決方案是結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，無論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態(tài)，另一個粒子的狀態(tài)也會相應確定，這一特性可以用來在遙遠兩地的用戶間產生密鑰。

潘建偉進一步解釋：“由于對粒子的測量最后是由用戶端來進行，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，只要用戶間最終檢測到量子糾纏，就可以產生安全的密鑰。因此，量子通信源端不完美帶來的安全問題可以得到完全解決，進一步提高了量子通信的現實安全性。”

原理上，利用量子中繼可以實現遠距離的量子糾纏分發(fā)，但實用化的量子中繼還需要較長時間。利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發(fā)糾纏，為現有技術條件下實現基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在2017年首次實現千公里量級的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實現基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)就成為國際學術界期盼的目標。

基于“墨子號”量子衛(wèi)星的前期實驗工作和技術積累，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”量子衛(wèi)星過境時，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對的速度在地面超過1120公里的兩個站之間建立量子糾纏，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。

“在實驗中，我們通過對地面探測裝置進行精心設計和防護，保證了公平采樣和對所有已知側信道的免疫，所生成的密鑰可不依賴可信中繼，并實現了探測設備的安全性。”潘建偉說。

結合最新發(fā)展的量子糾纏源技術，未來衛(wèi)星上可每秒產生10億對糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特。

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太空最耀眼的“科學之星”

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潘建偉介紹：“我們在不需要任何可信中繼的情況下，把量子密鑰分發(fā)的實際距離從之前的100公里提高到了1120公里，突破1000公里量級。在我看來更加重要的是，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，只要按照我們這個程序來做，它產生的密鑰也是安全的。”

“墨子號”取得的一系列科學實驗成果，獲得了國際社會的好評，并開啟了全球化量子通信時代之門。

《自然》雜志審稿人稱贊該工作“展示了一項開創(chuàng)性實驗的結果”，“這是朝向構建全球化量子密鑰分發(fā)網絡甚至量子互聯網的重要一步，我的確認為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協議的實驗實現是一個里程碑”。

星地量子密鑰分發(fā)的實現，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。以此為基礎，把衛(wèi)星作為可靠的中繼站，可實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡。

潘建偉表示，今年的成果方案還屬于實驗室級別的成果，離真正實用化還有很長的路要走。“實現遠距離安全量子通信，我們最理想的解決方案是全球化的基于糾纏的無中繼量子密鑰分發(fā)網絡，也是我們在量子通信領域的最終目標，這還需要階段性地一步一步往前走。”

據悉，基于該研究成果發(fā)展起來的高效星地鏈路收集技術，未來可以將量子衛(wèi)星載荷重量由現有的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時將地面接收系統(tǒng)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(tǒng)的小型化、可搬運，為將來衛(wèi)星量子通信的規(guī)模化、商業(yè)化應用奠定堅實的基礎。

記者了解到，2018年，潘建偉團隊榮獲有著諾貝爾獎風向標之稱的“沃爾夫物理學獎”。獲獎者介紹中專門提到：“量子密鑰分發(fā)在光纖中已經能做到幾百公里，另一個就是‘墨子號做到的星地1200公里。”

2019年1月31日，“墨子號”科研團隊被授予2018年度克利夫蘭獎。這是90多年來中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽。

迄今，“墨子號”研究團隊已在《自然》及《科學》雜志發(fā)表了5篇研究論文，為我國在未來繼續(xù)引領世界量子通信技術發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

國際權威期刊《自然》雜志曾評價：“墨子號”研究成果標志著中國在量子通信領域的崛起，并將領先于歐洲和北美。

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◎ 來源| 綜合科技日報、人民日報