“墨子號”實(shí)現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里量子密鑰分發(fā)
來源：
光明日報
日期：2020-06-16
責(zé)編：
殷緒江
量子密碼目前被認(rèn)為是不可破譯的密碼。但是如果分發(fā)密碼的衛(wèi)星被別人控制了怎么辦？這個安全漏洞或?qū)⒈欢律?。中國科學(xué)院15日宣布，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星在國際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。該實(shí)驗成果不僅將以往地面無中繼量子密鑰分發(fā)的空間距離提高了一個數(shù)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(shí)現(xiàn)安全的量子密鑰分發(fā)。國際學(xué)術(shù)期刊《自然》于北京時間6月15日23時在線發(fā)表了這一成果。
該成果是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團(tuán)隊，聯(lián)合牛津大學(xué)?？铺亟淌?、中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇團(tuán)隊、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中科院光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊共同完成的。
潘建偉介紹，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(yuǎn)，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(yīng)確定，這一特性可以用來在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間產(chǎn)生密鑰。
此次試驗中，科學(xué)家們在“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(jìn)而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。
潘建偉團(tuán)隊之前已經(jīng)在量子保密通信京滬干線上，實(shí)現(xiàn)了距離2000公里的量子密鑰分發(fā)，“墨子號”也完成了7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)。為什么這次實(shí)驗的1120公里還這么重要？
潘建偉解釋，之前長距離的量子密鑰分發(fā)都要借助一種設(shè)備——中繼節(jié)點(diǎn)，京滬干線需要32個中繼節(jié)點(diǎn)“接力”轉(zhuǎn)發(fā)，洲際量子密鑰分發(fā)也需要以“墨子號”作為中繼節(jié)點(diǎn)。“在陸地上，點(diǎn)對點(diǎn)的光纖量子密鑰分發(fā)，我們在實(shí)驗室條件下取得的最好的成績是500公里，在實(shí)際應(yīng)用中大概百公里左右就需要建立一個中繼節(jié)點(diǎn)。”潘建偉說：“這其中面臨的安全問題，就是中繼節(jié)點(diǎn)必須得到人為保障。例如，如果‘墨子號’被別人控制了，那么就存在密鑰泄露的風(fēng)險。”
這次實(shí)驗，讓科學(xué)家們看到了解決這個問題的可能——在實(shí)驗中，衛(wèi)星作為糾纏源，只負(fù)責(zé)分發(fā)糾纏，本身并不掌握密鑰的任何信息，所生成的密鑰不依賴可信中繼，進(jìn)一步提升了量子保密通信的現(xiàn)實(shí)安全性。潘建偉說：“哪怕衛(wèi)星被別人控制了，密碼也是安全的。”《自然》雜志審稿人稱贊該工作“展示了一項開創(chuàng)性實(shí)驗的結(jié)果”，“我的確認(rèn)為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗實(shí)現(xiàn)是一個里程碑”。
而基于該研究成果發(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以下，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)?；⑸虡I(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
潘建偉坦言，目前的成果還屬于原理演示，要具有實(shí)用價值還需要較長時間，“依賴于衛(wèi)星等各方面技術(shù)的進(jìn)步”。但“結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來衛(wèi)星上可每秒產(chǎn)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，讓安全的實(shí)用化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)成為可能”。
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