出品：科普中国
作者：栾春阳（清华大学物理系）
监制：中国科普博览
当提及量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）时，我们进入了一个令人惊叹的科学领域，它构建在量子力学的基础上，以绝对安全性为目标，同时依赖于量子纠缠态来实现这一目标。在量子密钥分发方案中，量子纠缠态是关键的元素，扮演着保密通信的核心角色。
量子密钥分发的基本原理涉及通信双方的合作，通过量子态的制备和测量，安全地生成和共享密钥。这个过程不仅能够确保密钥的保密性，还能够监测是否有任何窃听者试图干扰通信。
网络安全概念图
（图片来源：Veer图库）
量子密钥分发方案被认为是理论上绝对安全的通信方法，因为它依赖于量子力学的基本原理，而不依赖于计算复杂性。这意味着无论未来的计算技术有多强大，都无法破解通过量子密钥分发方案生成的密钥。
经过近40年的发展，量子密钥分发方案已经走出实验室并开始工程化建设,为我们的现代保密通信张开一面强大的“量子之盾”。一些国家和地区已经在城市间的通信网络中部署了量子密钥分发系统，以提高通信的安全性。
量子密钥——用光来保护信息安全
一般而言，量子密钥分发方案要想实现绝对安全的保密通信，就需要满足两个要求。
第一个是，需要采用“一次一密”的加密方式，保证每次通信都需要生成全新的密钥；第二个是，每次生成的密钥不能再是普通的密钥，而是需要采用量子力学的基本原理才能制备。
因此，量子密钥分发方案需要有两个通信信道，其中一个是用于传输加密信息的经典信道，而另外一个则是用于分发解密信息的量子信道，而这种特殊的密钥也被称为“量子密钥”。
量子密钥分发方案示意图
（图片来源：参考文献[1]）
那么问题来了，如何在实验上制备出合格的“量子密钥”呢？
其实，光就是一种近乎完美的量子密钥。这是因为，光的传播速度极快，可以满足即时通信的要求，除此之外，单个光子还可以被制备出特定的状态，用以编码不同的信息，形成可以被共享的量子密钥。
因此，单个光子可以作为量子密钥，在量子信道中实现快速的信息传递。
红色激光束
（图片来源：Veer图库）
想要获取大量的光子很简单，然而，制备出单个光子并不是一件轻松的事情。这是因为单个光子的能量极低，大约只有3×10^-19焦耳的能量。
而一支功率为10瓦的普通手电筒，仅仅只发出一秒钟的光束，就大约会有3×10^19个光子。因此，要想每次只制备出一个光子，就需要十分特殊的单光子源才能实现。
更难的是，正是因为单个光子的能量极低，而且容易受到空气等介质的吸收并发生损耗，从而极大地限制了单个光子的有效传播距离。
因此，量子密钥分发方案采用单光子进行密钥传输，对环境有着比较高的要求。
然而，我们的科学家和工程师却发挥出超强的聪明才智，带着光子实现“入地”和“上天”，从而实现了量子保密通信的工程化应用。
光子“入地”——基于光纤进行量子保密通信
想象一下，如果要实现北京和上海之间的保密通信，那么单个光子不仅需要跨越2000多公里的距离，而且不能丢失密钥信息。
打个比方，单个光子就像一辆装载密钥信息的小汽车，如果光子只在空气中传播的话，就像小汽车只在崎岖的普通土路行驶，那么小汽车的燃油会很快耗尽。
因此，科学家和工程师们受到高速公路的启发，决定也给单个光子修建一条专属的光纤通道，来实现通信双方之间点对点的密钥传输。
航拍视角下的高速公路
（图片来源：Veer图库）
其实早在1993年，来自英国的研究团队就利用单个光子作为密钥，在光纤中实现了相距10公里的量子密钥分发。
随后在2004年，来自日本的研究团队同样采用光纤通道，将量子密钥分发的距离提升至150公里。
而在2008年，来自欧盟的12个国家的研究小组在维也纳共同成功建造了欧洲量子通信网络（SECOQC），并且可供8个用户进行量子保密通信。
而在基于光纤传输的量子保密通信领域，中国的研究团队也同样取得一系列可喜的进展。
在2005年，来自中国科学技术大学的郭光灿研究团队就采用光纤通道，在北京和天津之间实现了长达125公里的量子保密通信。随后在2012年，来自中国科学技术大学的潘建伟研究团队也合肥市内建造了“合肥城域量子通信实验示范网”，可供数十个用户进行量子保密通信。
合肥城域量子通信实验示范网
（图片来源：澎湃新闻）
然而，由于单个光子的光纤传输仍然存在一定的损耗，因此单根光纤有效传输的极限距离一直很难突破上千公里。
这就像装载密钥的小汽车在京沪高速上行驶，然而自身的燃油无法支撑小汽车跑完全程，因此就需要高速路上的服务站提供加油等服务。
同样的道理，单个光子在超远距离传输的时候也需要中继站，来提供不断的“接力”。
因此，要想实现北京和上海之间长达2000多公里的量子保密通信，就需要利用中继站进行“接力”，从而保证单光子能够顺利完成量子密钥的分发。
“京沪干线”项目示意图
（图片来源：中国科学院）
就在2017年，经过中国科学院等多家机构长达4年的通力合作，从北京到上海的“光纤量子通信骨干网工程”终于通过验收，并且开始了商业运营，这条量子保密通信也被形象地称为“京沪干线”。
在“京沪干线”内部，沿途共配套32个中继站进行“接力”，并且通过网络隔离等保密方式来实现中继站内的信息安全。
1000多公里距离下，量子密钥分发实验成码率结果图
（图片来源：参考文献[2]）
当然，如果能够不使用中继站的话，这样量子保密通信不仅仅可以降低建造的成本，还可以从根本上杜绝中继站被入侵的隐患。就在2023年5月，来自中国科学技术大学、清华大学和中国科学院等单位的研究团队经过通力合作，在没有中继站的情况下，在光纤中实现了长达1002公里的量子密钥分发。
这意味着，中国研究团队不仅仅创下了在光纤中无中继“接力”的最远量子密钥分发的世界纪录，还有望提供新一代的城际量子保密通信的可靠方案。
光子“上天”——量子通信卫星
其实，单个光子除了可以“入地”（用光纤传输）来提升量子密钥分发的距离，还可以“上天”（用量子通信卫星）来打破地表空间的限制，从而实现星地之间的量子保密通信。
可能有人觉得，使用量子通信卫星让单个光子“上天”是不可思议的事情。
其实，地球表面的空气主要在距地面百公里的范围内，并且随着高度的增加而逐渐稀薄。而在空气极其稀薄的卫星轨道空间内，单个光子几乎不会受到空气的吸收等影响而发生衰减。
向地球发射信号的卫星
（图片来源：Veer图库）
因此，只要在天气状态良好的夜晚环境下，就有可能将单个光子穿过地表空气射向量子通信卫星，再由量子通信卫星进行中继“接力”，最终将单个光子再次返回并穿过地表空气，实现超远距离的量子密钥分发。怎么样，是不是有点科幻电影的味道了？
“墨子号”卫星实现达7600多公里的洲际量子通信
（图片来源：参考文献[3]）
其实早在2008年，来自奥地利和意大利的研究团队就开始尝试将单个光子送“上天”，并且首次成功识别了卫星反射回地表的单光子信号。
而在2016年，来自中国科学技术大学等研究团队成功发射了世界上首颗“墨子号”量子科学实验卫星，并且实现了7600多公里的洲际量子密钥分发实验，从而开拓了超远距离上量子保密通信的研究领域。
《科学》杂志封面的“墨子号”
（图片来源：《科学》杂志）
未来可期——向着量子通信时代迈步
随着量子保密通信技术的不断成熟，原本无比奇妙的科学设想正在一步步走进我们的现实生活中。
通过采用“上天”和“入地”等方式，基于单个光子的量子密钥分发技术正在打破空间上的限制，从而为最终实现全域的量子保密通信提供了无限的可能性。
“京沪干线”量子密钥分发示意图
（图片来源：参考文献[4]）
得益于“京沪干线”和“墨子号”等一系列代表性成果的不断涌现，中国团队在量子保密通信方面的研究已经处于世界领先水平。相信在不久的将来，将有更多的光纤通道和量子通信卫星实现互联互通，从而最终实现全球化的全域量子保密通信网络。
让我们一起期待量子保密通信时代的到来吧！
参考文献
[1] Buttler W T, Hughes R J, Kwiat P G, et al. Free-space quantum-key distribution[J]. Physical Review A, 1998, 57(4): 2379.
[2] Liu Y, Zhang W J, Jiang C, et al. Experimental twin-field quantum key distribution over 1000 km fiber distance[J]. Physical Review Letters, 2023, 130(21): 210801.
[3] Liao S K, Cai W Q, Handsteiner J, et al. Satellite-relayed intercontinental quantum network[J]. Physical review letters, 2018, 120(3): 030501.
[4] Chen Y A, Zhang Q, Chen T Y, et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres[J]. Nature, 2021, 589(7841): 214-219.
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