“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子密钥分发

　　量子密码目前被认为是不可破译的密码。但是如果分发密码的卫星被别人控制了怎么办？这个安全漏洞或将被堵上。中国科学院15日宣布，“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子密钥分发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密钥分发。国际学术期刊《自然》于北京时间6月15日23时在线发表了这一成果。

　　该成果是中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队，联合牛津大学埃科特教授、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、中科院微小卫星创新研究院、中科院光电技术研究所等相关团队共同完成的。

　　潘建伟介绍，基于纠缠的量子密钥分发的原理是，无论处于纠缠状态的粒子之间相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会相应确定，这一特性可以用来在遥远两地的用户间产生密钥。

　　此次试验中，科学家们在“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。

　　潘建伟团队之前已经在量子保密通信京沪干线上，实现了距离2000公里的量子密钥分发，“墨子号”也完成了7600公里的洲际量子密钥分发。为什么这次实验的1120公里还这么重要？

　　潘建伟解释，之前长距离的量子密钥分发都要借助一种设备——中继节点，京沪干线需要32个中继节点“接力”转发，洲际量子密钥分发也需要以“墨子号”作为中继节点。“在陆地上，点对点的光纤量子密钥分发，我们在实验室条件下取得的最好的成绩是500公里，在实际应用中大概百公里左右就需要建立一个中继节点。”潘建伟说：“这其中面临的安全问题，就是中继节点必须得到人为保障。例如，如果‘墨子号’被别人控制了，那么就存在密钥泄露的风险。”

　　这次实验，让科学家们看到了解决这个问题的可能——在实验中，卫星作为纠缠源，只负责分发纠缠，本身并不掌握密钥的任何信息，所生成的密钥不依赖可信中继，进一步提升了量子保密通信的现实安全性。潘建伟说：“哪怕卫星被别人控制了，密码也是安全的。”《自然》杂志审稿人称赞该工作“展示了一项开创性实验的结果”，“我的确认为不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验实现是一个里程碑”。

　　而基于该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，将地面接收系统的重量由现有的10余吨大幅降低到100公斤左右，实现接收系统的小型化、可搬运，为将来卫星量子通信的规模化、商业化应用奠定基础。

　　潘建伟坦言，目前的成果还属于原理演示，要具有实用价值还需要较长时间，“依赖于卫星等各方面技术的进步”。但“结合最新发展的量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒产生10亿对纠缠光子，最终密钥成码率将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特，让安全的实用化量子密钥分发网络成为可能”。