墨子号

“墨子号”取得的一系列科学实验成果开启了全球化量子通信

时代之门。

遨游在太空的“墨子号”量子科学实验卫星（以下简称“墨子号”）有了属于自己的“正式名称”。2020年9月11日，国家重大文化工程《辞海》（第七版）正式对外发布，本次新增内容中添加了“量子通信”“量子科学实验卫星”等词条。

“十三五”期间，我国在量子科技领域取得了一系列重大进展。2016年我国成功发射世界首颗量子卫星——“墨子号”，并圆满完成星地量子密钥分发等三大科学目标。2017年，世界首条千公里级量子保密通信干线——京沪干线建成启用，与“墨子号”相结合，我国成功实现世界首次洲际量子保密通信。今年，一支联合研究团队利用“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……

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超出预期寿命令人惊喜

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“墨子号”于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心成功发射，2017年1月18日正式开展科学实验。

“‘墨子号圆满实现预定的全部三大科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。”中国科学技术大学潘建伟教授表示。

星地高速量子密钥分发是“墨子号”的科学目标之一。“墨子号”与河北兴隆地面光学站建立了光链路，在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。

实现地星量子隐形传态是“墨子号”的又一科学目标。量子隐形传态可利用量子纠缠将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送粒子本身。“墨子号”量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。

量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。这种作用在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其他因素的影响？作为卫星的三大科学实验任务之一，“墨子号”在国际上首次在空间尺度上开展了量子纠缠分发实验。

2020年6月15日，“墨子号”在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发，将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信，取得了量子通信现实应用的重要突破。

据悉，“墨子号”预计将超出预期寿命，继续工作至少两年以上，并展开更多国际合作。

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拓展量子通信的距离

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量子通信是利用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式，能够有效解决信息安全问题。

通常讲，量子通信分为两种，一种是量子密钥分发;另一种是量子隐形传态。

量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，是不可窃听、不可破译的安全通信方式。

“量子密钥分发，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而且一旦这把钥匙被别人动过，传送者会立刻发现，原有的钥匙作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。”潘建伟说。

量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式，但要从实验室走向广泛应用，还需要解决两大挑战，分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。通过国际学术界30余年的努力，目前现场点对点光纤量子密钥分发的安全距离达到了百公里量级。

那么，如何再进一步有效拓展量子通信的距离？在现有技术水平下，使用可信中继能够做到。也就是说将点对点传输改为分段传输，并采用中继技术进行级联，即将整个通信线路分几段，每段损耗都较小，再通过中继器将这几段连接起来，并且这些中继器是可被信任的。

于2017年9月29日正式开通的世界首条量子保密通信京沪干线就是通过32个中继节点，贯通了全长2000公里的城际光纤量子网络;而利用量子科学实验卫星“墨子号”作为中继，在自由空间信道进一步拓展到了7600公里的洲际距离。

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杜绝信息泄露的风险

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尽管可信中继将传统通信方式中整条线路的安全风险限制在有限个中继节点范围，中继节点的安全仍然需要人为保障。例如，在星地量子密钥分发过程中，量子卫星作为可信中继，掌握着用户分发的全部密钥，如果卫星被他方控制，就存在信息泄露的风险。那么，怎样杜绝这种信息泄露的风险？潘建伟认为，实现远距离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发的原理是，无论处于纠缠状态的粒子之间相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会相应确定，这一特性可以用来在遥远两地的用户间产生密钥。

潘建伟进一步解释：“由于对粒子的测量最后是由用户端来进行，所以纠缠源（例如卫星）不掌握密钥的任何信息，即使纠缠源由不可信的他方提供，只要用户间最终检测到量子纠缠，就可以产生安全的密钥。因此，量子通信源端不完美带来的安全问题可以得到完全解决，进一步提高了量子通信的现实安全性。”

原理上，利用量子中继可以实现远距离的量子纠缠分发，但实用化的量子中继还需要较长時间。利用卫星作为量子纠缠源，通过自由空间信道在遥远两地直接分发纠缠，为现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通信提供了可行的道路。“墨子号”量子科学实验卫星在2017年首次实现千公里量级的自由空间量子纠缠分发后，实现基于纠缠的远距离量子密钥分发就成为国际学术界期盼的目标。

基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作和技术积累，研究团队通过对地面望远镜主光学和后光路进行升级，实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。

“墨子号”量子卫星过境时，同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，以每秒2对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠，进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。

“在实验中，我们通过对地面探测装置进行精心设计和防护，保证了公平采样和对所有已知侧信道的免疫，所生成的密钥可不依赖可信中继，并实现了探测设备的安全性。”潘建伟说。

结合最新发展的量子纠缠源技术，未来卫星上可每秒产生10亿对纠缠光子，最终密钥成码率将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特。

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太空最耀眼的“科学之星”

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潘建伟介绍：“我们在不需要任何可信中继的情况下，把量子密钥分发的实际距离从之前的100公里提高到了1120公里，突破1000公里量级。在我看来更加重要的是，即使作为量子纠缠源的卫星，是由别人制造的，是不可信的，只要按照我们这个程序来做，它产生的密钥也是安全的。”

“墨子号”取得的一系列科学实验成果，获得了国际社会的好评，并开启了全球化量子通信时代之门。

《自然》杂志审稿人称赞该工作“展示了一项开创性实验的结果”，“这是朝向构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步，我的确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验实现是一个里程碑”。

星地量子密钥分发的实现，为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以此为基础，把卫星作为可靠的中继站，可实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

潘建伟表示，今年的成果方案还属于实验室级别的成果，离真正实用化还有很长的路要走。“实现远距离安全量子通信，我们最理想的解决方案是全球化的基于纠缠的无中继量子密钥分发网络，也是我们在量子通信领域的最终目标，这还需要阶段性地一步一步往前走。”

据悉，基于该研究成果发展起来的高效星地链路收集技术，未来可以将量子卫星载荷重量由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由现有的10余吨大幅降低到100公斤左右，实现接收系统的小型化、可搬运，为将来卫星量子通信的规模化、商业化应用奠定坚实的基础。

记者了解到，2018年，潘建伟团队荣获有着诺贝尔奖风向标之称的“沃尔夫物理学奖”。获奖者介绍中专门提到：“量子密钥分发在光纤中已经能做到几百公里，另一个就是‘墨子号做到的星地1200公里。”

2019年1月31日，“墨子号”科研团队被授予2018年度克利夫兰奖。这是90多年来中国科学家在本土完成的科研成果首次获得这一重要荣誉。

迄今，“墨子号”研究团队已在《自然》及《科学》杂志发表了5篇研究论文，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

国际权威期刊《自然》杂志曾评价：“墨子号”研究成果標志着中国在量子通信领域的崛起，并将领先于欧洲和北美。

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◎ 来源| 综合科技日报、人民日报