繼實現實驗室內500公里點對點光纖量子密鑰安全分發、依託可信中繼站點建成約2000公里光纖量子保密通信骨幹網「京滬幹線」、以量子衛星作為可信中繼實現約7600公里洲際量子保密通信之後，大陸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星「墨子號」實現基於糾纏的無中繼千公里級量子保密通信。
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量級，並確保即使在衛星被攻擊、遭控制的極端情況下依然能實現安全的量子保密通信。
基於這項最新突破所發展起來高效星地鏈路收集技術，可將量子衛星載荷重量由目前數百公斤降至幾十公斤以下，並將地面接收系統重量由10餘噸降至100公斤左右，實現接收系統的小型化、可搬運。這將大幅降低量子通信衛星研製和發射成本，為未來衛星量子通信的規模化、商業化應用奠定堅實基礎。
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密碼學界千年夢想
這一重大突破成果論文，15日在國際權威學術期刊《自然》在線發表。審稿人稱讚該研究工作是「朝向構建全球化量子密鑰分發網路甚至量子互聯網的重要一步」，認為「不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發協定的實驗實現是一個里程碑」，也正如量子密碼提出者之一Gilles Brassard所言「這將最終實現所有密碼學者千年來的夢想」。
研究團隊此次最新突破的科研成果，即基於「墨子號」量子衛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後光路進行升級，實現單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。
「墨子號」量子衛星過境時，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（BIT，Binary digit，為電腦用語，信息量單位）的最終碼速率產生密鑰。
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走向應用 克服2大挑戰
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，並確保現實安全性。
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，分別是現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餘年的努力，目前現場點對點光纖量子密鑰分發的安全距離達到百公里量級。
在現有技術水平下，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幹線通過32個中繼節點，貫通全長約2000公里的城際光纖量子網路；而利用「墨子號」量子衛星作為中繼，在自由空間通道進一步拓展到7600公里的洲際距離。
潘建偉坦言，這次發表論文的科研突破，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，未來通過衛星可每秒產生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，可以為基於糾纏的無中繼遠距離量子保密通信的規模化應用奠定基礎。
潘建偉及該校彭承志、印娟教授等組成的研究團隊，聯合英國牛津大學Artur Ekert和中國科學院上海技術物理研究所王建宇院士團隊、微小衛星創新研究院、光電技術研究所等相關團隊，利用「墨子號」量子衛星在國際上首次實現千公里級基於糾纏的量子密鑰分發。
（記者／楊俊斌）