潘建偉院士團(tuán)隊(duì)最新科研突破的實(shí)驗(yàn)示意圖。(研究團(tuán)隊(duì) 供圖)　研究團(tuán)隊(duì) 供圖　攝

繼實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)500公里點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子密鑰安全分發(fā)、依托可信中繼站點(diǎn)建成約2000公里光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”、以量子衛(wèi)星作為可信中繼實(shí)現(xiàn)約7600公里洲際量子保密通信之后，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)再次獲得新的科研突破——利用全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)基于糾纏的無(wú)中繼千公里級(jí)量子保密通信。

潘建偉院士及同事彭承志、印娟教授等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合英國(guó)牛津大學(xué)阿圖·?？ㄌ?Artur Ekert)和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇院士團(tuán)隊(duì)、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊(duì)，利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。這一實(shí)驗(yàn)成果不僅將以往地面無(wú)中繼量子保密通信的空間距離提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并確保即使在衛(wèi)星被攻擊、遭控制的極端情況下依然能實(shí)現(xiàn)安全的量子保密通信。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士通過(guò)視頻連線，向媒體介紹最新量子通信的科研突破成果。　孫自法 攝

這一現(xiàn)實(shí)條件下實(shí)現(xiàn)安全、遠(yuǎn)距離量子保密通信的量子通信應(yīng)用領(lǐng)域重大突破成果論文，于北京時(shí)間15日深夜在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。審稿人稱贊該研究工作是“朝向構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步”，認(rèn)為“不依賴可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑”，也正如量子密碼提出者之一吉列斯·布拉薩德(Gilles Brassard)所言“這將最終實(shí)現(xiàn)所有密碼學(xué)者千年來(lái)的夢(mèng)想”。

論文發(fā)表前夕，中科院科學(xué)傳播局、施普林格·自然集團(tuán)15日下午聯(lián)合舉行該成果視頻連線介紹會(huì)。潘建偉說(shuō)，量子通信提供了一種原理上無(wú)條件安全的通信方式，但要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用，需要解決兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實(shí)條件下的安全性問(wèn)題和遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題。通過(guò)國(guó)際學(xué)術(shù)界30余年的努力，目前現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達(dá)到百公里量級(jí)。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，使用可信中繼可以有效拓展量子通信的距離，如世界首條量子保密通信京滬干線通過(guò)32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，貫通全長(zhǎng)約2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡(luò);而利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星作為中繼，在自由空間信道進(jìn)一步拓展到7600公里的洲際距離。

潘建偉指出，盡管可信中繼將傳統(tǒng)通信方式中整條線路的安全風(fēng)險(xiǎn)限制在有限中繼節(jié)點(diǎn)范圍，但中繼節(jié)點(diǎn)的安全仍需得到人為保障。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通信的最佳解決方案是結(jié)合量子中繼和基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，原理上，利用量子中繼可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，但實(shí)用化的量子中繼還需要較長(zhǎng)時(shí)間，而利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過(guò)自由空間信道在遙遠(yuǎn)兩地直接分發(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。

研究團(tuán)隊(duì)此次最新突破的科研成果，即基于“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作和技術(shù)積累，通過(guò)對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)和后光路進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，同時(shí)與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個(gè)地面站建立光鏈路，以每秒2對(duì)的速度在地面超過(guò)1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，進(jìn)而在有限碼長(zhǎng)下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。實(shí)驗(yàn)中，科研人員通過(guò)對(duì)地面接收光路和單光子探測(cè)器等方面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和防護(hù)，保證所生成密鑰不依賴可信中繼，并確?，F(xiàn)實(shí)安全性。

潘建偉也坦言，這次發(fā)表論文的科研突破，目前只是科學(xué)上的原理演示，離實(shí)際應(yīng)用還有較遠(yuǎn)距離。預(yù)期在六七年時(shí)間內(nèi)，結(jié)合量子糾纏源技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，未來(lái)通過(guò)衛(wèi)星可每秒產(chǎn)生10億對(duì)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(guò)境幾萬(wàn)比特，可以為基于糾纏的無(wú)中繼遠(yuǎn)距離量子保密通信的規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

他透露，基于這項(xiàng)最新突破所發(fā)展起來(lái)高效星地鏈路收集技術(shù)，可將量子衛(wèi)星載荷重量由目前數(shù)百公斤降至幾十公斤以下，并將地面接收系統(tǒng)重量由10余噸降至100公斤左右，實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運(yùn)。這將大幅降低量子通信衛(wèi)星研制和發(fā)射成本，為未來(lái)衛(wèi)星量子通信的規(guī)?；⑸虡I(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。(完)

關(guān)鍵詞： 墨子號(hào)再獲新突破