潘建偉院士團隊最新科研突破的實驗示意圖。(研究團隊 供圖)　研究團隊 供圖　攝

繼實現(xiàn)實驗室內500公里點對點光纖量子密鑰安全分發(fā)、依托可信中繼站點建成約2000公里光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”、以量子衛(wèi)星作為可信中繼實現(xiàn)約7600公里洲際量子保密通信之后，中國科學技術大學潘建偉院士團隊再次獲得新的科研突破——利用全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”實現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里級量子保密通信。

潘建偉院士及同事彭承志、印娟教授等組成的研究團隊，聯(lián)合英國牛津大學阿圖·?？ㄌ?Artur Ekert)和中國科學院上海技術物理研究所王建宇院士團隊、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術研究所等相關團隊，利用“墨子號”量子衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。這一實驗成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高一個數(shù)量級，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現(xiàn)安全的量子保密通信。

中國科學技術大學潘建偉院士通過視頻連線，向媒體介紹最新量子通信的科研突破成果?！O自法 攝

這一現(xiàn)實條件下實現(xiàn)安全、遠距離量子保密通信的量子通信應用領域重大突破成果論文，于北京時間15日深夜在國際權威學術期刊《自然》在線發(fā)表。審稿人稱贊該研究工作是“朝向構建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步”，認為“不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實驗實現(xiàn)是一個里程碑”，也正如量子密碼提出者之一吉列斯·布拉薩德(Gilles Brassard)所言“這將最終實現(xiàn)所有密碼學者千年來的夢想”。

論文發(fā)表前夕，中科院科學傳播局、施普林格·自然集團15日下午聯(lián)合舉行該成果視頻連線介紹會。潘建偉說，量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式，但要從實驗室走向廣泛應用，需要解決兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。通過國際學術界30余年的努力，目前現(xiàn)場點對點光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達到百公里量級。在現(xiàn)有技術水平下，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32個中繼節(jié)點，貫通全長約2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡;而利用“墨子號”量子衛(wèi)星作為中繼，在自由空間信道進一步拓展到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險限制在有限中繼節(jié)點范圍，但中繼節(jié)點的安全仍需得到人為保障。實現(xiàn)遠距離安全量子通信的最佳解決方案是結合量子中繼和基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，原理上，利用量子中繼可實現(xiàn)遠距離的量子糾纏分發(fā)，但實用化的量子中繼還需要較長時間，而利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術條件下實現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。

研究團隊此次最新突破的科研成果，即基于“墨子號”量子衛(wèi)星的前期實驗工作和技術積累，通過對地面望遠鏡主光學和后光路進行升級，實現(xiàn)單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，同時與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路，以每秒2對的速度在地面超過1120公里的兩個站之間建立量子糾纏，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。實驗中，科研人員通過對地面接收光路和單光子探測器等方面進行精心設計和防護，保證所生成密鑰不依賴可信中繼，并確?，F(xiàn)實安全性。

潘建偉也坦言，這次發(fā)表論文的科研突破，目前只是科學上的原理演示，離實際應用還有較遠距離。預期在六七年時間內，結合量子糾纏源技術和衛(wèi)星技術的發(fā)展進步，未來通過衛(wèi)星可每秒產生10億對糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特，可以為基于糾纏的無中繼遠距離量子保密通信的規(guī)模化應用奠定基礎。

他透露，基于這項最新突破所發(fā)展起來高效星地鏈路收集技術，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，實現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運。這將大幅降低量子通信衛(wèi)星研制和發(fā)射成本，為未來衛(wèi)星量子通信的規(guī)模化、商業(yè)化應用奠定堅實基礎。(完)

關鍵詞： 墨子號再獲新突破