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突破,墨子号卫星基于纠缠分发的千公里量子保密通信:无论敌人在星内植入何种间谍装置或软件,我们的量子通信都是安全的

时间:2020-06-16 12:34:00  阅读:165

撰文 | 王向斌 清华大学

量子密钥分发是量子保密通信的量子核心内容。我们在之前的文章(链接:通俗版量子保密通信(三):诱骗态方法中提到,采用量子纠缠分发方法的量子保密通信,即便光源被窃听者控制,密钥依然安全。听起来难以置信,但是诡异的量子纠缠的确能够做到。虽然量子纠缠有这个属性,人类有没有能力(技术)实现远距离量子纠缠分发,是一个极其挑战性问题。


最近,中国科学技术大学潘建伟教授及同事彭承志、印娟等人组成的研究团队,联合牛津大学Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等单位的相关团队,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。基于量子纠缠分发的量子保密通信具有独特的安全性特征,其安全性不要求隔离光源。这就意味着,卫星不再是传统的可信中继,而是安全性与量子中继等价的纠缠源。即便敌人控制了我们的卫星(当然我么不希望这事发生),无论敌人在卫星中安插了何种间谍装置或软件,我们基于纠缠的量子通信依然是安全的。

潘建伟


由于量子纠缠的科学属性,我国科学家的这个结果具有理想单光子源量子密钥分发所不具备的光源安全性:无需担心光源被窃听,因为量子物理学原理保证了光源窃听无从实现。即便敌人控制了我们的卫星(当然我么不希望这事发生,但实战中我们可能无法判断一些状况),无论敌人在卫星中安插了何种间谍装置或软件,我们基于纠缠的量子通信依然是安全的

王建宇


 6月15日,国际著名学术期刊《自然》杂志上在线发表了该研究团队题为“基于纠缠的千公里级安全量子加密(Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres)”的研究论文 [Nature]。《自然》杂志还为这项工作专门发表了题为“量子的力量:基于卫星的远距离安全通信(Quantum physics: Long-range satellite-based secure communications)”的推介评论(Press release)。

多年前的年轻人合影。最右边的那个小女同学是印娟,本文的第一作者,她也是之前Science论文的第一作者。


彭承志

印娟


无论采用哪种协议,由于量子保密通信要传输单量子子态,这个信号不能放大,因此,它的传输距离受到限制无论在光纤中传输,还是在空气中传输,距离越长,对应的损耗就越大,距离太长损耗太大的话最后就没有成码。


要解决这个问题,目前有几种做法:第一种是基于现有的技术,从理论和实验研究如何提高安全距离和成码率,例如诱骗态方法(链接,赛先生文初中生也能读懂:量子通信中的诱骗态方法),双场协议等。目前这种路线下,实验内量子通信最远光纤距离为509公里(Phys.org,“Study achieves a new record fiber QKD transmission distance of over 509 km”,  https://phys.org/news/2020-03-fiber-qkd-transmission-distance-km.html),到真实应用的现场距离可能会减少100公里左右。另一种方法是建立中继站,采用量子中继的方法也可以把安全距离变长。但是量子中继在技术上相当有难度,估计短期之内还看不到实际的应用,而经典中继(可信中继)则需要监控中继点以确保安全。第三种做法是采用卫星量子通信,比如说地球上相隔1000公里或者更远的两点,都以卫星为中继站来进行量子保密通信,这种方式的损耗与在地面上通信两点的距离几乎没有关系,这是因为地球外存在大气层,它对光能构成损耗的有效厚度大概只有10公里,剩下的都是在真空中,而在真空中传输是没有损耗的,实际上相当于在空气中做了20公里的量子通信。以这个卫星为中继的量子通信,不论地面两点的距离有多远,损耗都仅仅是这两点每一点和卫星之间的损耗,也就等效于只有10公里的大气层厚度。

但是我们在某些情况下,更高的安全性要求导致更多的顾虑:如果敌人攻入卫星内部怎么办?现在答案来了:墨子号卫星的最新的基于量子纠缠分发的量子通信不必担心敌人攻入卫星内部偷看,更不必担心任何“伴星”偷窥等。


此项最新实验结果,虽是一项重大的科学技术突破,但尚未达到商业化应用阶段。还有至少两个关键性问题亟待解决:一是成码率问题,二是进一步的距离拓展问题。原则上,成码率和距离都可以进一步拓展,例如采用高轨卫星等。成码率方面还可以通过发展高纠缠源技术解决。



量子通信方面的国际竞争异常激烈。中国墨子号卫星虽然取得了远超预期的重大成就,但是,前进的步伐一刻也不能停止。我们相信,在国家的支持下,中国科学家们一定能够成功跨越科学上的重重雄关漫道!

潘建伟团队大合影


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