《墨子》实现了千公里无中继量子保密通信

中国科技大学等国内外单位的研究团队首次利用墨子量子科学实验卫星实现了基于纠缠的量子密钥分发。实验结果不仅将以往地面非中继量子保密通信的空间距离增加了一个数量级，而且保证了即使在卫星被其他方控制的极端情况下，也可以通过物理原理实现安全的量子通信，从而实现量子通信实际应用的重大突破。相关的研究结果于6月15日在网上发表在杂志《自然》上。

量子通信原则上提供了一种无条件的、安全的通信方法。然而，从实验室走向广泛应用，需要解决两个挑战，即现实条件下的安全问题和远距离传输问题。在目前的技术水平下，使用可信中继可以有效地延长量子通信的距离。例如，“墨子”量子卫星可以用作中继，而自由空间通道可以延伸到7600公里的洲际距离。然而，尽管可信中继将传统通信方法中整条线路的安全风险限制在有限的中继节点范围内，但中继节点的安全仍需要人为保证中国科学院院士、中国科技大学教授潘剑伟说。

实现远程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。基于纠缠的量子密钥分配的原理是，无论相距多远的粒子处于纠缠态，只要一个粒子的状态被测量，另一个粒子的状态就会相应地被确定。此功能可用于在两个遥远地方的用户之间生成密钥。

卫星作为量子纠缠的来源，纠缠通过自由空间信道直接分布在两个遥远的地方，为现有技术中基于纠缠实现量子保密通信提供了一条可行的途径.

在前期实验工作和墨子量子卫星技术积累的基础上，研究团队对地面望远镜的主光路和后光路系统进行了升级，实现了单面双面四倍接收效率的提高。当墨子量子卫星通过时，它可以同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈两个地面站建立光链路，在两个地面站之间建立速度超过1120公里/秒的量子纠缠，然后在有限的码长下以0.12比特/秒的最终码率生成密钥。“在实验中，地面接收光路和单光子探测器经过精心设计和保护，以确保公平采样和对所有已知边通道的免疫力。生成的密钥不依赖于可信中继，并确保真正的安全性。”潘建伟说，随着量子纠缠源技术的最新发展，未来卫星每秒钟可以产生10亿个纠缠光子，最终密钥生成速率将提高到每秒几十位或每次传输几万位。

对此，《自然》杂志的评论者称赞道，“这是朝着建立全球量子密钥分发网络甚至量子互联网迈出的重要一步。”“我认为不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实现是一个里程碑。”

潘建伟表示，基于该研究成果开发的高效星地链路收集技术，可以将量子卫星的负载重量从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从现有的十多吨大幅降低到100公斤左右，从而实现接收系统的小型化和可移植性，为未来卫星量子通信的大规模商业化应用奠定坚实基础。