潘建伟团队最新研究成果登上Nature：首次实现1120公里长距离无中继纠缠量子密钥分发
量子通信里程碑式突破
鱼羊 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
量子通信，又获里程碑式突破。
这一次，依然来自潘建伟教授团队——
“墨子号”量子科学实验卫星，实现了1120公里长距离无中继纠缠量子密钥分发。
这是全球首次实现千公里级基于纠缠的无中继量子密钥分发，不仅将以往地面无中继量子密钥分发的空间距离提高一个数量级，并且通过物理原理确保即使卫星被他方控制，依然能够实现安全的量子密钥分发。
潘建伟教授表示：
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。
这一研究成果，登上了最新一期的Nature。
千公里级无中继纠缠量子密钥分发
量子密钥分发，是利用量子通信的方式，让通信双方拥有共同的密钥。
因为密钥是利用量子态来进行加密的，所以任何窃听行为都会造成量子态改变，从而暴露。
也就是说，量子密钥分发具有“无条件的安全性”。
在此前的研究中，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，在实验室里最多能达到500公里。
但是，如果要实现千公里级别的量子密钥分发，就需要利用量子中继器。
比如中国首条量子保密通信干线京沪干线，就是通过32个中继节点“接力”转发，实现了连接北京、上海，贯穿济南和合肥全长2000余公里的量子通信骨干网络。
而利用“墨子号”作为中继，中国科学家已经在自由空间信道实现了7600公里的洲际通信距离。
而中继节点的存在，就造成了这样一个安全问题——
中继节点的安全必须依靠人来保障，比如，如果“墨子号”被劫持，就会存在密钥泄露的风险。
并且，在2017年“墨子号”实现的有中继1200公里纠缠分发中，研究人员发现，虽然实验中每秒能产生约590万对纠缠光子，但每秒能探测到的只有1对光子，效率很低。
而在这次潘建伟团队联合牛津大学Artur Ekert教授、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、中科院微小卫星创新研究院、中科院光电技术研究所等相关团队，实现的千公里级别量子密钥分发，最大的突破就在于——
不依赖可信中继。
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。
那么，如果让卫星作为纠缠源，只负责分发纠缠，不掌握任何密钥信息，即使纠缠源来自不可信的第三方，只要用户间能检测到量子纠缠，仍可以产生安全的密钥。
在这次实验中，研究人员在相隔1120公里的新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站设置了两个地面站。每个站点都有专门为量子实验设计的直径为1.2米的地面望远镜。
为了提高量子密码链路的效率，研究人员对地面接收光路和单光子探测器进行了改进，成功使链路收集效率提高了4倍。
具体而言，是以每秒2对光子的速度在两个站之间建立起了量子纠缠，在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。
如此一来，不仅将量子密钥分发的地面安全距离提高了一个数量级，还使其安全性达到了前所未有的水平。
正如潘建伟教授所说，哪怕卫星被别人控制了，密码也是安全的。
IEEE Spectrum则评论说，这项研究，使几乎不可破解的量子互联网离现实应用更近一步。
不过，潘建伟教授也坦言，目前的成果还属于原理演示，要具有实用价值还需要较长时间，“依赖于卫星等各方面技术的进步”。
但“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，让安全的实用化量子密钥分发网络成为可能”。
One More Thing
近日，潘建伟持股11%的科大国盾量子技术股份有限公司，通过科创板首次公开发行股票注册。
也就是说，科大国盾不日将在科创板上市，成为科创板“量子通信第一股”。
据报道，科大国盾此次计划募集资金3亿元，主要用于量子通信网络设备项目及研发中心建设项目。
去年，科大国盾营收2.56亿元，主要业务来自国家及地方政府推动的骨干网、城域网等量子保密通信网络建设项目。
参考链接：
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/satellites/entangled-satellite
http://www.xinhuanet.com/science/2020-06/16/c_139141997.htm
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/6/441474.shtm
— 完 —
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