中国科学家实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信

中国科学家实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信

出品 | 科普中国制作 | 墨子沙龙作者 | 王佳 白泽

编者按：
6月15日下午，中科院举办线上新闻发布会，会上，潘建伟院士介绍了“墨子号”取得的最新重大进展——实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信。本次成果将无中继量子保密通信的安全距离从之前的百公里级提升到千公里级，而且特别重要的是，通过物理原理确保了通信即便在卫星被他方控制的极端情况下仍然安全。相关研究论文于当地时间6月15日在线发表于《自然》杂志，团队将此作为献给中国科学技术大学南迁五十周年的礼物。论文合作者王建宇院士、印娟教授也参与了此次发布会。参与发布会的还有人民日报、解放日报、新华社、中央广播电视台、澎湃新闻、科技时报等10余家新闻媒体，以及论文出版方Springer Nature集团的工作人员。
密码，一个古老而神秘的词语。早在公元前7世纪，古希腊的斯巴达人就已经懂得了加密技术，并将其用于通信。围绕着信息而产生的破译密码与编制密码，成为了窃听者与反窃听者持续千年的较量，密码学也应运而生。

密码棒 （图片来源：维基百科）

而现代社会，密码早已进入人类生活的每一个角落。无论是金融交易、计算机系统、日常通信，都离不开密码。如何实现信息的安全共享？是否有绝对安全的通信体系？这是密码学者们追逐千年的圣杯，而近日的一项工作，让密码学界见到了圣杯的曙光。

最近，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队，联合牛津大学Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队，利用“墨子号”量子科学实验卫星，采用基于纠缠的QKD协议，国际上首次实现无中继千公里级的量子保密通信，将地面上绝对安全通信的距离提升了一个数量级，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。题为“基于纠缠的千公里级安全量子加密（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）”的研究论文于2020年6月15日在线发表在《自然》杂志上。

那么，这项工作和之前“墨子号”的工作有何不同？实现了哪些前沿性的进展呢？且听小墨一一道来。

QKD协议进化史

关于QKD（量子密钥分发Quantum Key Distribution）以及最早的QKD协议——BB84协议，“墨子沙龙”之前已经做过多次介绍，这里不再赘言，想了解的读者可以阅读：“趣味科普|从RSA算法到BB84协议，了解密钥分发的奥秘！”，“量子密钥分发：从BB84到TF-QKD”。

简而言之，量子力学的基本原理可以保证通信的安全性。比如，根据海森堡测不准原理，任何测量的窃听行为都必然导致系统扰动，从而被发现。量子密钥分发就是一种利用量子系统作为信息载体进行传输，进而提取共享安全密钥的保密通信方式。

1984年，美国物理学家Charles H.Bennett和加拿大密码学家Gilles Brassard提出了BB84协议，这个协议最大的特点就是利用单光子产生密码。

在BB84协议提出7年之后， Artur Ekert另辟蹊径，意识到可以利用纠缠实现密钥的安全分发，提出了第一个基于纠缠的QKD协议——E91协议。

1991年，Ekert提出了一个相对独立的量子密钥分发方案。在E91协议中，第三方Charlie制备纠缠的光子对，然后把两个光子分别发送给Alice和Bob。如果没有窃听者，两人使用相同的“测量基矢”进行测量，就能得到相同的随机二进制序列，便实现了密钥的共享。

而因为Alice和Bob分别持有纠缠对中的一个光子，所以当他们以多种方式进行测量，他们的测量结果之间会具有某种关联性。John Bell指出，量子理论与任何经典性理论对这一关联有不同的预测：对于体现关联性的某个函数S，量子理论预测；而对于经典理论S