服役3年10個(gè)月的“墨子號”量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星再次登上世界頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》。它將一對對糾纏光子分發(fā)給距離1120公里的青海德令哈和新疆南山，兩地間以巧妙的協(xié)議建立起量子密鑰，其安全性得到量子力學(xué)理論的保證。

其實(shí)，早在2018年的時(shí)候，“墨子號”就已經(jīng)宣布首次實(shí)現(xiàn)了北京和維也納之間的量子密鑰分發(fā)，距離長達(dá)7600公里。不過，那時(shí)衛(wèi)星需要先后分別和北京、維也納共建密鑰，衛(wèi)星本身從中起到了中繼站的作用，是“量子魔法”的斷點(diǎn)。

6月15日，“墨子號”首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉在接受包括澎湃新聞在內(nèi)的媒體采訪時(shí)表示，這次由于衛(wèi)星只負(fù)責(zé)分發(fā)糾纏光源，并不掌握密鑰內(nèi)容，因此即使衛(wèi)星被他方控制也能產(chǎn)生安全的密鑰。

這是無中繼的量子密鑰分發(fā)距離首次突破1000公里，可以說是目前為止最安全的遠(yuǎn)距離量子密碼。

量子保密通信理論奠基人之一Gilles Brassard對此評價(jià)道：“這終將實(shí)現(xiàn)所有密碼學(xué)者千年來的夢想。”

“量子魔法”斷點(diǎn)

如果將一串以“0”、“1”組成的數(shù)字加載在量子（通常是光子）的量子態(tài)上，就構(gòu)成了量子密鑰。一個(gè)未知的量子態(tài)不能夠被精確地復(fù)制，一旦被測量就會被破壞。因此，一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，一定會被發(fā)現(xiàn)。只有使用雙方約定的“打開方式”，才能得到正確的密鑰信息。

量子不可克隆定理雖然保證了這種量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)被竊聽必留痕跡，但也在工程上帶來了無法像電信號一樣被增強(qiáng)的難題。光子通過長距離光纖傳輸，必然會產(chǎn)生損耗。

再加上環(huán)境噪音的影響，目前現(xiàn)實(shí)世界條件下兩個(gè)地面用戶之間直接通過光纖分發(fā)量子密鑰，最遠(yuǎn)距離只能達(dá)到約100 公里。

因此，距離長達(dá)2000公里左右的世界首條量子保密通信干線“京滬”干線，沿途設(shè)置了32個(gè)中繼站點(diǎn)進(jìn)行“接力”。

這些中繼站點(diǎn)之間的鏈路得到量子力學(xué)理論的安全保證，中繼站點(diǎn)本身卻沒有，而是依賴人為保護(hù)。盡管這種方式將傳統(tǒng)保密通信中整條線路的安全風(fēng)險(xiǎn)大幅縮小到這些中繼節(jié)點(diǎn)范圍，但仍然留下了可能的安全性“斷點(diǎn)。”如果以衛(wèi)星為中繼站，不論地面兩點(diǎn)相距多遠(yuǎn)，損耗僅發(fā)生在地面站和衛(wèi)星之間，即10公里級的大氣層厚度，再往上就近乎真空。但衛(wèi)星中繼也只是把“量子斷點(diǎn)”縮減到了1個(gè)，仍然需要人為保護(hù)。

基于糾纏的QKD

在提出最初的量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84之后， Ekert在1991年提出了糾纏版本的量子密鑰分發(fā)協(xié)議E91，隨后在1992在又被Brassard等人加以改進(jìn)形成BBM92協(xié)議。利用超越距離的神奇量子糾纏效應(yīng)，無需中繼的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)成為可能。

量子糾纏被愛因斯坦成為“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對其進(jìn)行測量），另一個(gè)的狀態(tài)會瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。

當(dāng)“墨子號”衛(wèi)星從上空經(jīng)過時(shí)，德令哈和南山各有專門的新建望遠(yuǎn)鏡對糾纏光子進(jìn)行接收。只要使用相同的“打開方式”，如果一方讀出信息為“0”，另一方一定會讀出信息為“1”，那么，其中一方對“0”、“1”進(jìn)行互換，即可共享一串量子密鑰。而一旦雙方溝通部分密鑰，發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)很多，就是竊聽者留下的痕跡。這一過程中，衛(wèi)星只是負(fù)責(zé)分發(fā)糾纏，本身并不參與量子密鑰的產(chǎn)生，因此即使衛(wèi)星被他方控制，只要地面的雙方能夠驗(yàn)證糾纏的存在，就能夠保證密鑰的安全。

“墨子號”超越自我

雖然有現(xiàn)成的理論協(xié)議在，但“墨子號”想要實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的光子傳輸和接收并不容易。

“墨子號”工程常務(wù)副總設(shè)計(jì)師王建宇介紹道，這幾年來通過技術(shù)改進(jìn)，衛(wèi)星在天上的性能放大了一個(gè)數(shù)量級，地面站的接收效率提高了4倍，“天地”相乘起來，實(shí)際能力提高了數(shù)十倍。

具體來說，為了優(yōu)化接收效率，兩個(gè)地面站都新建了1.2米口徑的望遠(yuǎn)鏡，專門為量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)。

通過這些改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以8倍以上標(biāo)準(zhǔn)差違背了貝爾不等式（之前為約4倍標(biāo)準(zhǔn)差），這顯示了光子糾纏沒有被破壞。雙光子分發(fā)的鏈路效率提升約4倍，誤碼率從之前的8.1%降低至4.5%，最終的密鑰成碼率為0.43比特/秒。

這是“墨子號”的又一次超越自我，升級打怪。

潘建偉說道，一開始設(shè)計(jì)衛(wèi)星時(shí)，只想實(shí)現(xiàn)星地之間的量子密鑰分發(fā)。為了充分發(fā)揮衛(wèi)星的價(jià)值，后來又拓展到星地雙向量子糾纏分發(fā)，以及量子隱形傳態(tài)進(jìn)行探索。

如今，“墨子號”又超額完成了千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，性能依然良好。潘建偉表示，此次科學(xué)實(shí)驗(yàn)只是從0到1的原理性驗(yàn)證，每個(gè)軌道只能傳送幾十個(gè)密鑰，尚無實(shí)用價(jià)值。

他透露，未來有望發(fā)射更高軌道的量子通信衛(wèi)星。不同于“墨子號”匆匆掠過地面站，高軌衛(wèi)星全天時(shí)具備上崗能力。經(jīng)過六到七年努力后，基于糾纏的無中繼星地量子密鑰分發(fā)才可能具備初步實(shí)用價(jià)值，與地面上的量子保密通信光纖網(wǎng)絡(luò)形成配合。