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“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信

来源:互联网添加时间:2020/07/04 点击:

央广网北京6月16日消息(记者朱敏)据中央广播电视总台中国之声《新闻纵横》报道,作为世界首颗量子科学实验卫星,“墨子号”及其研制者潘建伟团队取得了一系列重大成果,标志着我国在量子通信领域的研究在国际上达到全面领先的优势地位。

近日,“墨子号”再次取得新的突破。潘建伟团队及合作者利用“墨子号”在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。这项实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级,并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信。成果于北京时间6月15日晚上11点在线发表于国际著名学术期刊《自然》杂志。

量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式,但要从实验室走向广泛应用,需要解决两大挑战,分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟介绍,目前现实条件下,地面现场点对点的安全传输距离只能做到100公里。潘建伟说:“全世界科学家经过长期的努力,到今年最好的结果,也是由中国科学院我们团队创造了一个世界纪录,在实验室里面点对点用光纤可以做到500公里。但是在现场,比如真的从合肥连到上海,走物理距离的时候又有一些其他的扰动。到目前为止,全球在地面的两个点现场距离只能做到100公里。”

在现有技术水平下,使用可信中继可以有效拓展量子通信的距离,比如世界首条量子保密通信京沪干线通过32个中继节点,贯通了全长2000公里的城际光纤量子通信网络。潘建伟表示,利用“墨子号”作为中继,在自由空间信道进一步拓展到了7600公里的洲际距离。潘建伟说:“利用‘墨子号’我们在2018年完成了北京到乌鲁木齐、北京到维也纳的洲际量子保密通信。那时我们只有一个可信中继就是用卫星,先让卫星和北京产生密钥,让卫星和乌鲁木齐产生密钥,让卫星和维也纳产生密钥,但是这个密钥因为是维也纳跟卫星的、乌鲁木齐跟卫星的、北京跟卫星的,只要卫星在我们的控制中,没有人去窃听,通信就是安全的。”

然而,尽管可信中继将传统通信方式中整条线路的安全风险限制在有限个中继节点范围,中继节点的安全仍然需要得到人为保障。例如,在星地量子密钥分发过程中,量子卫星作为可信中继,掌握着用户分发的全部密钥,如果卫星被他方控制,就存在信息泄漏的风险。潘建伟表示,实现远距离安全量子通信的最佳解决方案是结合量子中继和基于纠缠的量子密钥分发。潘建伟说:“在这个过程当中,你只要在张三、李四这两个地方产生纠缠,那么中间所谓量子中继都只负责纠缠的分发,它是不会掌握有密钥的信息的。在这种情况下,即使中间的这些站点都是被不可信的设备操作的话,只要最后张三和李四能够确认有纠缠的存在,那么就能够产生安全的密钥。对于量子密码界来说,能够实现基于纠缠的密钥是最终追求的目标。”

基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作和技术积累,研究团队通过对地面望远镜主光学和后光路进行升级,实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。“墨子号”量子卫星过境时,同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路,以每秒2对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠,进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。

潘建伟说:“即使卫星是由别人制造的,是不可信的,只要按照我们这个程序来做,它产生的密钥也是安全的。或者说卫星即使是被他方控制的情况下,也能够提供安全的量子通信,而且结合我们目前最新发展的量子纠缠源的技术,它是可以有实用价值的。”

除了首次实现基于纠缠的无中继千公里级量子保密通信,团队基于这项研究成果发展起来的高效星地链路收集技术,可以将量子卫星载荷重量由现有的几百公斤降低到几十公斤以下,同时实现接收系统的小型化、可搬运。

潘建伟说:“在这个过程当中,我们发展起来的高效星地链路收集技术,在未来我们可以把地面上接收终端的重量大大降低,由13吨变成100公斤,那么它就变成一个轻量化可搬运的地面接收系统了,可以大幅度降低量子卫星的研制和发射成本,为将来的规模和商业化奠定了基础。”

潘建伟表示,目前的研究成果实现了理论上0到1的突破,距离实现初步的实用价值或将还有六七年。潘建伟说:“这个实验本身是在科学的原理上实现了从0到1的飞跃,但是它的密钥每秒钟只有0.12个,每轨只能送几十个密钥,所以暂时还没有实用价值。我们希望未来通过比如中高轨卫星或者远距离纠缠分发,一轨就可以分发到几万个密钥了。有了几万个密钥之后,它就有初步的实用价值了。”