潘建偉團隊最新研究成果登上Nature：首次實現1120公里長距離無中繼糾纏量子密鑰分發
量子通信里程碑式突破
魚羊 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
量子通信，又獲里程碑式突破。
這一次，依然來自潘建偉教授團隊——
“墨子號”量子科學實驗衛星，實現了1120公里長距離無中繼糾纏量子密鑰分發。
這是全球首次實現千公里級基于糾纏的無中繼量子密鑰分發，不僅將以往地面無中繼量子密鑰分發的空間距離提高一個數量級，并且通過物理原理確保即使衛星被他方控制，依然能夠實現安全的量子密鑰分發。
潘建偉教授表示：
我的確認為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發協議的實驗實現，是一個里程碑。
這一研究成果，登上了最新一期的Nature。
千公里級無中繼糾纏量子密鑰分發
量子密鑰分發，是利用量子通信的方式，讓通信雙方擁有共同的密鑰。
因為密鑰是利用量子態來進行加密的，所以任何竊聽行為都會造成量子態改變，從而暴露。
也就是說，量子密鑰分發具有“無條件的安全性”。
在此前的研究中，現場點對點光纖量子密鑰分發的安全距離達到了百公里量級，在實驗室里最多能達到500公里。
但是，如果要實現千公里級別的量子密鑰分發，就需要利用量子中繼器。
比如中國首條量子保密通信干線京滬干線，就是通過32個中繼節點“接力”轉發，實現了連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000余公里的量子通信骨干網絡。
而利用“墨子號”作為中繼，中國科學家已經在自由空間信道實現了7600公里的洲際通信距離。
而中繼節點的存在，就造成了這樣一個安全問題——
中繼節點的安全必須依靠人來保障，比如，如果“墨子號”被劫持，就會存在密鑰泄露的風險。
并且，在2017年“墨子號”實現的有中繼1200公里糾纏分發中，研究人員發現，雖然實驗中每秒能產生約590萬對糾纏光子，但每秒能探測到的只有1對光子，效率很低。
而在這次潘建偉團隊聯合牛津大學Artur Ekert教授、中科院上海技術物理研究所王建宇團隊、中科院微小衛星創新研究院、中科院光電技術研究所等相關團隊，實現的千公里級別量子密鑰分發，最大的突破就在于——
不依賴可信中繼。
基于糾纏的量子密鑰分發的原理是，無論處于糾纏狀態的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態也會相應確定，這一特性可以用來在遙遠兩地的用戶間產生密鑰。
那么，如果讓衛星作為糾纏源，只負責分發糾纏，不掌握任何密鑰信息，即使糾纏源來自不可信的第三方，只要用戶間能檢測到量子糾纏，仍可以產生安全的密鑰。
在這次實驗中，研究人員在相隔1120公里的新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站設置了兩個地面站。每個站點都有專門為量子實驗設計的直徑為1.2米的地面望遠鏡。
為了提高量子密碼鏈路的效率，研究人員對地面接收光路和單光子探測器進行了改進，成功使鏈路收集效率提高了4倍。
具體而言，是以每秒2對光子的速度在兩個站之間建立起了量子糾纏，在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。
如此一來，不僅將量子密鑰分發的地面安全距離提高了一個數量級，還使其安全性達到了前所未有的水平。
正如潘建偉教授所說，哪怕衛星被別人控制了，密碼也是安全的。
IEEE Spectrum則評論說，這項研究，使幾乎不可破解的量子互聯網離現實應用更近一步。
不過，潘建偉教授也坦言，目前的成果還屬于原理演示，要具有實用價值還需要較長時間，“依賴于衛星等各方面技術的進步”。
但“結合最新發展的量子糾纏源技術，未來衛星上可每秒產生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，讓安全的實用化量子密鑰分發網絡成為可能”。
One More Thing
近日，潘建偉持股11%的科大國盾量子技術股份有限公司，通過科創板首次公開發行股票注冊。
也就是說，科大國盾不日將在科創板上市，成為科創板“量子通信第一股”。
據報道，科大國盾此次計劃募集資金3億元，主要用于量子通信網絡設備項目及研發中心建設項目。
去年，科大國盾營收2.56億元，主要業務來自國家及地方政府推動的骨干網、城域網等量子保密通信網絡建設項目。
參考鏈接：
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/satellites/entangled-satellite
http://www.xinhuanet.com/science/2020-06/16/c_139141997.htm
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/6/441474.shtm
— 完 —
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