量子通信现实应用再获突破 走向商用更近一步

中国科学技术大学潘建伟院士研究团队，联合中科院上海技术物理研究所王建宇等相关团队，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。该实验成果不仅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。6月15日，国际著名学术期刊《自然》杂志在线发表了这一研究成果。

潘建伟表示，基于该研究成果发展起来的高效星地链路收集技术，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。

“实现信息安全，是人类的梦想。而所有依赖于计算复杂度的经典加密算法原理上都会被破解。”潘建伟表示，量子通信提供了一种原理上安全的通信方式，但要从实验室走向广泛应用，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。

量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都随着距离增加而增加。潘建伟说，由于信号损耗，使用光纤分发量子密钥有一个距离的上限，通过国际学术界30余年的努力，目前将现场点对点分发量子密钥的安全距离提高到了百公里量级。

要实现更远距离的量子密钥分发，一个可行的方案是使用可信中继。可信中继可理解为“接力跑”。比如，世界首条量子保密通信京沪干线通过32个中继节点，贯通了全长2000公里的城际光纤量子网络。

不过，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的中继节点范围，但中继节点的安全仍然需要得到人为保障。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，可如果卫星被他方控制，就存在信息泄露风险。

研究团队通过对地面望远镜升级，在“墨子号”量子卫星过境时，使其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，卫星作为纠缠源，只负责分发纠缠，不掌握密钥的任何信息；而用户间的密钥是通过纠缠直接产生的，不再需要卫星中转。

《自然》杂志审稿人称赞该工作是迈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。在潘建伟看来，这一最新研究将无中继的量子密钥分发距离首次突破1000公里，是一大重要突破；更重要的意义在于，即使卫星被他方控制也能够产生安全的密钥。

据了解，“墨子号”研究团队迄今已在《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。（记者沈慧）