量子密钥分发实验：卫星被劫仍不会泄密

“这是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。”

获得《自然》杂志审稿人上述赞誉的，是 2020 年 6 月 15 日发表的一篇论文——《基于纠缠的 1120 公里安全量子加密》（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1，120 kilometres）。

该论文展示了：没有用地面中继器情况下，借助“墨子号”量子科学实验卫星，在相隔 1120 公里的两个地面站之间，成功实现基于纠缠的量子密钥分发。此外，论文结果还显示，即使在卫星被他方控制的极端情况下，通过物理原理依然能实现安全量子通信。

“墨子号”是中国乃至世界首颗量子科学实验卫星，在 2011 年正式立项，于 2016 年 8 月由长征二号丁火箭发射升空，其目的是实现覆盖全球的广域量子保密通信。

要理解上面论文成果，得先了解一些量子通信的技术背景。

先要说明的是，“量子” 这一概念，并不特指某一种具体粒子。光子、电子或原子等微观粒子都是量子范畴。

量子通信因其信息保密性，被视为加密传输消息的利器。理论上，量子信息传输瞬时完成，是不可破解的。

但实现层面上，为了交换加密消息，量子通信需要使用光子分布密钥（加密和解密密文的“钥匙”）。这个过程被称之为“量子密钥分发”（Quantum Key Distribution，简称 QKD）。

由于随着传输距离变长，光子损耗会迅速增加，因此在实际应用中，两个用户之间的量子密钥分发距离，被限制为大约 100 公里。

要延长距离并且避免光子损耗，得加入中继器。但只要涉及中继节点，就会有被他方控制的风险。

比如，世界首条量子保密通信“京沪干线”，虽然提供了 2000 公里的光纤量子网络，但有 32 个中继节点，每个节点安全都需要人为保障。

取代地面中继器的一个方法，是利用量子通信卫星进行量子密钥分发。

2018 年 1 月，在自由空间信道，中国和奥地利利用 “墨子号” ，实现了洲际量子密钥分发，距离达 7600 公里。但如果采用这种方法，“墨子号”卫星掌握着用户分发的全部密钥，如果卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。

利用量子的纠缠特性，成为解决这种风险的一副良方。量子纠缠是指，两个或多个粒子相互依存的状态，即使它们相隔数光年之远。处于纠缠状态的粒子，无论相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子状态也会相应确定。

从物理原理上说，由于对量子的测量，发生在地面站用户端，纠缠源（卫星）不掌握密钥任何信息，即使卫星被他方劫持了，密钥也不会泄漏。但在该论文发表前，基于卫星纠缠的分发，不仅效率低下，而且错误率高，不足以支持量子密钥分发。

因此，如何在保证安全的情况下，实现基于纠缠的远距离量子密钥分发，成为量子通信商业化、实用化的关键。

至此，我们可以总结一下量子密钥分发过去的技术局限：如果没有地面中继器，那么两个地面站（用户）之间的量子密钥分发，最远只能到 100 公里。如果借助量子通信卫星，会有被劫持风险，因此需要借助量子的纠缠特性，但纠缠分发的效率又不够高。

再对比上述论文成果，就能明白其意义：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。即使别人劫持了卫星，也没办法获取加密的信息。

那么该论文研究团队是如何实现这个突破的呢？

该论文作者之一，是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟及其团队。他同时是 “墨子号” 项目和 “京沪干线” 项目的首席科学家。论文其他作者还包括：牛津大学 Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队。

研究团队进行实验的两个站点，分别是新疆乌鲁木齐南山站，和青海德令哈站，相距 1120 公里。研究人员在两个站点处，设立了接受量子信号的望远镜。

当“墨子号”卫星经过站台时，与两个地面站的望远镜就建立光链路，以每秒 2 对量子的速度，在两个站之间建立量子纠缠，进而产生密钥。

地面站的望远镜经过特殊设计，主光学和后光路都有升级，解决了上文所说的，卫星纠缠分发效率低的问题。据论文实验结果，单边望远镜有双倍接收效率提升，双边则有四倍提升。

潘建伟担任主任的量子物理与量子信息研究部表示，基于该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，由现有几百公斤降低到几十公斤以下。

同时，能将地面接收系统重量，由现有 10 余吨降低到 100 公斤左右，实现接收系统小型化、可搬运，为将来卫星量子通信规模化、商业化应用奠定了坚实基础。