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量子保密通信的現(xiàn)實安全性又邁進了一大步！
由中科大潘建偉團隊主導的量子通信研究實現(xiàn)了重要突破，主要表現(xiàn)于兩個方面：
一是首次通過物理原理確保了衛(wèi)星傳輸密鑰的安全問題；
二是將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數(shù)量級，實現(xiàn)了 1120 公里無中繼糾纏量子密鑰分發(fā)；這同時也是國際上首次實現(xiàn)基于糾纏的千公里級量子密鑰分發(fā)。
研究成果現(xiàn)已在《Nature》雜志發(fā)表，題為“Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres”《基于糾纏的千公里級安全量子加密》。
量子密鑰分發(fā)（Quantum key distribution，QKD），是一種在遠程用戶之間共享密鑰的安全方法。
在理論上，量子通信提供了一種無條件安全的通信方式。但要走向應用，則存在著兩大亟需解決的問題——現(xiàn)實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。
經過科學界 30 多年的研究，在地球上的各個站之間產生量子密碼學鏈接的最大距離約為 144 公里，在實驗室則可以達到 500 公里。
如果想要實現(xiàn)更長距離的量子通信，則需借助“信息驛站”，例如借助衛(wèi)星充當?shù)孛嬲镜目尚胖欣^，以此增加量子鏈路的長度。
不過，中繼節(jié)點的安全性是需要人為保障的。一旦信息驛站被劫持，或被他方控制，則存在信息泄露的風險。
由此，潘建偉團隊尋求出新的解決方案，即“不依賴可信中繼”。
潘建偉向《中國科學報》表示：
如果把“墨子號”（原作為中繼的量子衛(wèi)星）作為糾纏源，而不是中繼點，去產生安全的密鑰，那么就有完全解決量子通信源端的不完美帶來的安全問題。
從理論層面上看，基于量子糾纏的量子密鑰分發(fā)的原理是讓用戶之間通過量子糾纏直接產生密碼，糾纏源不掌握密鑰的任何信息，以此從根本上解決量子通信源端的安全問題。
也就是說，即使衛(wèi)星被劫持，亦或是設備遭到控制，基于糾纏的量子密鑰也依舊是安全的。
雷鋒網注：圖源中國科學院
在此次實驗中，潘建偉團隊是在相距 1120km 的青海德令哈站與新疆南山站之間進行，每個站點都有專門為量子實驗設計的 1.2 米寬的新建望遠鏡。
為了提高量子密碼鏈路的效率，研究人員將重點放在改進用于獲取、定向和跟蹤衛(wèi)星和地面站目標的系統(tǒng)上。
不僅如此，研究人員還致力于提高地面鏡片和其他光學設備的接收和收集效率。
最終，該研究實驗將雙光子分布的鏈路效率提高了近 4 倍，以每秒 2 對光子的速度在兩個站之間建立起了量子糾纏，以每秒 0.12 比特的最終碼速率產生密鑰。
無疑，這一研究成果是量子通信領域里程碑式的進步。
《自然》雜志審稿人評論稱：
（這一工作）展示了一項開創(chuàng)性實驗的結果，這是構建全球化量子密鑰分發(fā)網絡甚至量子互聯(lián)網的重要一步。我認為，不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實驗的完成是一個里程碑。
不僅如此，該研究成果還得到了行業(yè)人員的認可。
沃爾夫物理學獎獲得者、量子密碼的提出者之一吉爾斯·布拉薩德表示：
這將最終實現(xiàn)所有密碼學者千年來的夢想。
前面提到，要實現(xiàn)長距離的量子通信需要借助中繼點，而量子衛(wèi)星就是作為中繼的可用途徑之一。
按照潘建偉院士的說法，如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的“網”，那么量子科學實驗衛(wèi)星就像一桿將這張網射向太空的“標槍”。
而在此次研究實驗中，“墨子號”便是原作為中繼的量子衛(wèi)星。
雷鋒網注：圖為“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星概念圖
2016 年 8 月 16 日，全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的升空，它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，并將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。
實際證明，墨子號不僅完成了它的使命，而且達到了超乎預期的成效。
2017 年，“墨子號”不僅圓滿完成了 4 個月的在軌測試任務，還取得了多項新成果，包括首次實現(xiàn)千公里量級的量子糾纏、首次成功實現(xiàn)從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。
至此，在 2017 年，“墨子號”就圓滿實現(xiàn)預先設定的三大科學目標。
到了 2018 年 1 月，“墨子號”首次實現(xiàn)北京與維也納之間相距 7600 千米的洲際量子保密通信，標志著“墨子號”已具備實現(xiàn)洲際量子保密通信的能力。
值得一提的是，“墨子號”的原設計壽命僅有 2 年，而今已在軌運行 3 年 10 個月，并還將繼續(xù)服役。
中國研究人員在 2019 年 2 月 表示，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星預計將超出預期壽命、繼續(xù)工作至少 2 年以上，并展開更多國際合作。
也就是說，“墨子號”至少還將服役至 2021 年。
在中國量子信息領域，潘建偉是不可或缺的關鍵性人物。
潘建偉，有“量子之父”之稱，是“墨子號”的首席科學家。主要從事量子物理和量子信息等方面的研究，是國際上量子信息實驗研究領域開拓者之一，同時也是該領域具有重要國際影響力的科學家。
縱覽潘建偉院士的履歷，只能驚嘆，非常人所及。
在《基于糾纏的千公里級安全量子加密》之前，潘建偉就曾多次在國際期刊上發(fā)表研究論文。
2012 年 5 月，潘建偉在《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表題為“Multiphoton entanglement andinterferometry”《多光子糾纏和干涉度量學》論文。這是中國科學家在該刊物的首篇實驗論文，并且該文章獲得了 2015 年度國家自然科學一等獎（中國自然科學領域的最高獎項）；
2013 年 9 月 ，潘建偉團隊與加拿大研究組合作的研究成果《利用測量器件無關量子密鑰分發(fā)解決量子黑客隱患》發(fā)表于《物理評論快報》。不僅如此，《科學》雜志、《物理》雜志等刊物也進行了專題報道。
2014 年 11 月，潘建偉及其它研究人員將可以抵御黑客攻擊的遠程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴展至 200 公里，并將成碼率提高了 3 個數(shù)量級，創(chuàng)下世界紀錄，該成果發(fā)表于《物理評論快報》。
2015 年 2 月 26 日，《Nature》以封面標題的形式發(fā)表了潘建偉參與的研究論文《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態(tài)》(Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon)。
·······
而就在今年，潘建偉又再次創(chuàng)下了世界紀錄。潘建偉、包小輝團隊在實驗室中實現(xiàn)了長距離的量子糾纏，兩種實驗方案分別實現(xiàn)了 22 公里和 50 公里的量子糾纏。
基于其學術成就，潘建偉也多次得到了國內外認可，獲獎無數(shù)。
早在 2001 年，潘建偉就入選“中科院引進國外杰出人才”；2017 年榮獲“物質科學獎”；入選《自然》2017 十大科學人物；2018 年入選 100 名改革開放杰出貢獻對象；2020 年 獲得“2020 年蔡司研究獎”······
在國際上，潘建偉依然是備受肯定。2019 年 1 月，潘建偉團隊獲得了 2018 年度克利夫蘭獎；這同時也是克利夫蘭獎設立 90 年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得該榮譽。
如此成就，只能像網友那般，默默豎起大拇指了。
雷鋒網注：圖片截自微博
參考資料：
【1】https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y
【2】http://dzb.whb.cn/2020-06-16/7/detail-687613.html
【3】http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/6/441474.shtm
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