墨子实现世界上第一个基于纠缠的千公里量子密钥分发

据央视《新闻联播》报道，经过多年的研究，中国科学院院士潘剑伟的研究团队与牛津大学等国内外团队合作，在世界上首次通过墨子量子科学实验卫星实现了1000公里级别的量子密钥分发。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通过物理原理被其他方控制的极端情况下也能实现安全的量子通信，从而实现了量子通信实际应用的重大突破。这项成就于15日在国际学术期刊《自然》上发表。

在实验中，研究团队使用“墨子”作为量子纠缠源，并升级了地面望远镜，以实现单面双面和双面四重接收效率的提高。墨子过境时，与新疆的南山站和青海的德令哈两个地面站建立了光链路，两个地面站之间建立了每秒2对的量子纠缠，产生了量子密钥，在世界上首次实现了基于纠缠的量子保密通信。

中国科学院院士、中国科技大学教授潘建伟表示，基于纠缠的量子保密通信利用较少的空间信道衰减，将点对点现场密钥分发的距离从100公里增加到1000公里。在下一个轨道中可以生成大约40，000个密钥，这对于一些最高机密或高密度的信息传输来说是足够的。

“墨子号”量子卫星介绍

量子通信原则上提供了一种无条件的、安全的通信方式，但要得到广泛应用，还有两个主要问题需要解决，即安全性和远距离传输。经过国际学术界30多年的努力，目前点对点光纤量子密钥分发已经达到100公里的数量级。使用可信中继可以有效地扩展量子通信的距离。例如，量子北京-上海干线通过32个中继节点穿过2000公里的城际光纤量子网络。然而，中继节点的安全仍然存在隐患，需要人类来保护。该研究团队利用卫星作为量子纠缠的来源，通过自由空间信道将纠缠直接分布在两个遥远的地方，为实现基于纠缠的量子保密通信提供了一种可行的途径。

潘剑伟说，这一成就主要取决于概念的纠缠。当一对光子纠缠并分布到两个地方时，如果只看到一个光子，纠缠将消失，然后密码将被认为是不安全的。因此，即使卫星是由你不信任的人制造的，如果在最终的密钥分配后它能满足一定的纠缠关系，那也是安全的。

据了解，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减轻到几十公斤，同时将地面接收系统的重量从现有的10多吨大大减轻到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应用奠定坚实的基础。目前，我国正计划建设一个量子卫星网络。结合量子纠缠源技术的最新发展，每秒钟可以产生10亿对纠缠光子。最终密钥生成率有望大幅提高，为实际应用提供必要的技术支持。

“这是一个非常重要的突破。《自然》杂志高级编辑费德里科列维说：“研究人员已经将光子准备、分配和测量的效率提高到足够高的水平，以确保安全密钥的生成。该实验是基于纠缠的远程量子密钥分发的首次演示，是量子安全通信道路上的一个重要里程碑。"