6月15日，国际著名学术期刊《自然》杂志上在线发表了中国量子通信的重要研究成果。
中国科学技术大学潘建伟院士研究团队，联合中科院上海技术物理研究所王建宇等相关团队，利用“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保密通信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通信，取得了量子通信现实应用的重要突破。
信息安全是人类的千年梦想
量子是构成物质的最基本单元，无法被分割、无法被复制，一旦被动手脚必然留下痕迹，这使得用量子态所产生的密钥，从物理根基上就无法被破解。基于纠缠的量子密钥分发的原理是，无论处于纠缠状态的光子之间相隔多远，只要测量了其中一个光子的状态，另一个光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直接产生密钥。
“实现信息安全，是人类的千年梦想。而所有依赖于计算复杂度的经典加密算法原理上都会被破解。”潘建伟表示，量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式，但要从实验室走向广泛应用，需要解决两大挑战，分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。
量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都随着距离增加而指数增加。潘建伟说，由于信号的损耗，使用光纤分发量子密钥有一个距离的上限，通过国际学术界30余年的努力，此前已将现场点对点分发量子密钥的安全距离提高到了百公里量级。
要实现更远距离的量子密钥分发，一个可行的方案是使用可信中继。
什么是可信中继？潘建伟认为可以理解为“接力跑”：单光子在光纤中从a地要跑到b地，但跑着跑着“没力气”了，这时就可以设置个值得信赖的节点让密钥“落地”一下，再由其他光子接着向前跑。比如，世界首条量子保密通信京沪干线通过32个中继节点，贯通了全长2000公里的城际光纤量子网络；而利用量子科学实验卫星“墨子号”作为中继，在自由空间信道进一步拓展到了7600公里的洲际距离。
不过，尽管可信中继将传统通信方式中整条线路的安全风险限制在有限个中继节点范围，中继节点的安全仍然需要得到人为保障。例如，在星地量子密钥分发过程中，量子卫星作为可信中继，掌握着用户分发的全部密钥，可如果卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。
潘建伟说，实现远距离安全量子通信的最佳解决方案是结合量子中继和基于纠缠的量子密钥分发，原理上，利用量子中继可实现远距离的量子纠缠分发，但实用化的量子中继还需要较长时间。而利用卫星作为量子纠缠源，通过自由空间信道在遥远两地直接分发纠缠，为现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通信提供了可行的道路。
无中继量子密钥分发距离首次突破千公里
向着未知奋进，研究团队通过对地面望远镜进行升级，在“墨子号”量子卫星过境时，使其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。在实验中，卫星作为纠缠源，只负责分发纠缠，不掌握密钥的任何信息；而用户间的密钥是通过纠缠直接产生的，不再需要卫星的中转了。
通过对地面接收光路和单光子探测器等方面进行精心设计和防护，保证了公平采样和对所有已知侧信道的免疫，所生成的密钥不依赖可信中继、并确保了现实安全性。结合最新发展的量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒产生10亿个纠缠光子，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。
《自然》杂志审稿人称赞该工作，是朝向构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步；“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。”
在潘建伟看来，这一最新研究将无中继的量子密钥分发距离首次突破1000公里，是个重要突破；更重要的意义在于，即使卫星被他方控制也能够产生安全的密钥。
他表示，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，同时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、商业化应用奠定了坚实的基础。
不过，潘建伟也坦言，这次发表论文的科研突破，目前只是科学上的原理演示，离实际应用还有较远距离。
据了解，“墨子号”量子科学实验卫星是中科院空间科学战略性先导科技专项之一。迄今，“墨子号”研究团队已在《自然》及《科学》杂志发表了5篇研究论文，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。