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| 本文作者： 肖漫 | 2020-06-16 18:27 |
量子保密通信的現(xiàn)實(shí)安全性又邁進(jìn)了一大步！
由中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的量子通信研究實(shí)現(xiàn)了重要突破，主要表現(xiàn)于兩個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了 1120 公里無中繼糾纏量子密鑰分發(fā)；這同時(shí)也是國際上首次實(shí)現(xiàn)基于糾纏的千公里級(jí)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(jí)安全量子加密》。
量子密鑰分發(fā)（Quantum key distribution，QKD），是一種在遠(yuǎn)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(yīng)用，則存在著兩大亟需解決的問題——現(xiàn)實(shí)條件下的安全性問題和遠(yuǎn)距離傳輸問題。
經(jīng)過科學(xué)界 30 多年的研究，在地球上的各個(gè)站之間產(chǎn)生量子密碼學(xué)鏈接的最大距離約為 144 公里，在實(shí)驗(yàn)室則可以達(dá)到 500 公里。
如果想要實(shí)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(dāng)?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(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)。
由此，潘建偉團(tuán)隊(duì)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(xué)報(bào)》表示：
如果把“墨子號(hào)”（原作為中繼的量子衛(wèi)星）作為糾纏源，而不是中繼點(diǎn)，去產(chǎn)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(chǎn)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(shè)備遭到控制，基于糾纏的量子密鑰也依舊是安全的。
雷鋒網(wǎng)注：圖源中國科學(xué)院
在此次實(shí)驗(yàn)中，潘建偉團(tuán)隊(duì)是在相距 1120km 的青海德令哈站與新疆南山站之間進(jìn)行，每個(gè)站點(diǎn)都有專門為量子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 1.2 米寬的新建望遠(yuǎn)鏡。
為了提高量子密碼鏈路的效率，研究人員將重點(diǎn)放在改進(jìn)用于獲取、定向和跟蹤衛(wèi)星和地面站目標(biāo)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(xué)設(shè)備的接收和收集效率。
最終，該研究實(shí)驗(yàn)將雙光子分布的鏈路效率提高了近 4 倍，以每秒 2 對(duì)光子的速度在兩個(gè)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(chǎn)生密鑰。
無疑，這一研究成果是量子通信領(lǐng)域里程碑式的進(jìn)步。
《自然》雜志審稿人評(píng)論稱：
（這一工作）展示了一項(xiàng)開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這是構(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。我認(rèn)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(shí)驗(yàn)的完成是一個(gè)里程碑。
不僅如此，該研究成果還得到了行業(yè)人員的認(rèn)可。
沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)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(shí)現(xiàn)所有密碼學(xué)者千年來的夢想。
前面提到，要實(shí)現(xiàn)長距離的量子通信需要借助中繼點(diǎn)，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(gòu)建了一張連接每個(gè)城市、每個(gè)信息傳輸點(diǎn)的“網(wǎng)”，那么量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍”。
而在此次研究實(shí)驗(yàn)中，“墨子號(hào)”便是原作為中繼的量子衛(wèi)星。
雷鋒網(wǎng)注：圖為“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星概念圖
2016 年 8 月 16 日，全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”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(yàn)證量子理論的真實(shí)性。
實(shí)際證明，墨子號(hào)不僅完成了它的使命，而且達(dá)到了超乎預(yù)期的成效。
2017 年，“墨子號(hào)”不僅圓滿完成了 4 個(gè)月的在軌測試任務(wù)，還取得了多項(xiàng)新成果，包括首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的量子糾纏、首次成功實(shí)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(hào)”就圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的三大科學(xué)目標(biāo)。
到了 2018 年 1 月，“墨子號(hào)”首次實(shí)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(biāo)志著“墨子號(hào)”已具備實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信的能力。
值得一提的是，“墨子號(hào)”的原設(shè)計(jì)壽命僅有 2 年，而今已在軌運(yùn)行 3 年 10 個(gè)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(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星預(yù)計(jì)將超出預(yù)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(hào)”至少還將服役至 2021 年。
在中國量子信息領(lǐng)域，潘建偉是不可或缺的關(guān)鍵性人物。
潘建偉，有“量子之父”之稱，是“墨子號(hào)”的首席科學(xué)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(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域開拓者之一，同時(shí)也是該領(lǐng)域具有重要國際影響力的科學(xué)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(jí)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(píng)論》上發(fā)表題為“Multiphoton entanglement andinterferometry”《多光子糾纏和干涉度量學(xué)》論文。這是中國科學(xué)家在該刊物的首篇實(shí)驗(yàn)論文，并且該文章獲得了 2015 年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（中國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)）；
2013 年 9 月 ，潘建偉團(tuán)隊(duì)與加拿大研究組合作的研究成果《利用測量器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)解決量子黑客隱患》發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。不僅如此，《科學(xué)》雜志、《物理》雜志等刊物也進(jìn)行了專題報(bào)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(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)展至 200 公里，并將成碼率提高了 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，創(chuàng)下世界紀(jì)錄，該成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
2015 年 2 月 26 日，《Nature》以封面標(biāo)題的形式發(fā)表了潘建偉參與的研究論文《單個(gè)光子的多個(gè)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(jì)錄。潘建偉、包小輝團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了長距離的量子糾纏，兩種實(shí)驗(yàn)方案分別實(shí)現(xiàn)了 22 公里和 50 公里的量子糾纏。
基于其學(xué)術(shù)成就，潘建偉也多次得到了國內(nèi)外認(rèn)可，獲獎(jiǎng)無數(shù)。
早在 2001 年，潘建偉就入選“中科院引進(jìn)國外杰出人才”；2017 年榮獲“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”；入選《自然》2017 十大科學(xué)人物；2018 年入選 100 名改革開放杰出貢獻(xiàn)對(duì)象；2020 年 獲得“2020 年蔡司研究獎(jiǎng)”······
在國際上，潘建偉依然是備受肯定。2019 年 1 月，潘建偉團(tuán)隊(duì)獲得了 2018 年度克利夫蘭獎(jiǎng)；這同時(shí)也是克利夫蘭獎(jiǎng)設(shè)立 90 年來，中國科學(xué)家在本土完成的科研成果首次獲得該榮譽(yù)。
如此成就，只能像網(wǎng)友那般，默默豎起大拇指了。
雷鋒網(wǎng)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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