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，研究团队在国际著名学术期刊《自然》杂志上在线发表了题为“基于纠缠的千公里级安全量子加密（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）”的研究论文 [Nature]。《自然》杂志为此专门发布了题为“基于卫星的远距离安全通信（Quantum physics: Long-range satellite-based secure communications）”的新闻稿（Press release）加以推介。

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，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。在现有技术水平下，使用可信中继可以有效拓展量子通信的距离，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；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。

然而，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，如果卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。

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。由于对粒子的测量局域地发生在用户端，纠缠源不掌握密钥的任何信息，即使纠缠源（例如卫星）由不可信的他方提供，只要用户间检测到量子纠缠，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时间。

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。特别是“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热切期盼的目标。

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，通过对地面接收光路和单光子探测器等方面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，所生成的密钥不依赖可信中继、并确保了现实安全性。

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。

《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（present the results of a groundbreaking experiment）；” “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（This is a significant step toward establishing a global network for QKD, and more generally, a quantum Internet for quantum communication）；”“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（I do agree that the actual implementation of a long-distance entanglement-based QKD protocol not relying on trusted nodes is a milestone）。”

该研究成果是现实条件下实现安全、远距离量子保密通信的重要突破，如同沃尔夫物理学奖获得者、量子密码的提出者之一Gilles Brassard所指出的，“这将最终实现所有密码学者千年来的梦想（This would achieve the holy Grail that all cryptographers have been dreaming of for thousands of years）。”

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、商业化应用奠定了坚实的基础。

外媒关注

西班牙《国家报》网站6月15日报道，中国一个科学家团队首次使用量子技术实现加密信息的同时传输。加密信息从太空卫星发出，抵达相距1120公里的两个地面望远镜，这个距离大约是迄今已实现距离的近10倍。

量子现象产生于微观层面，但可以对现实世界产生重大影响。处于纠缠状态的两个粒子无论相隔多远，只要测量了其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会相应确定。若有人试图在传输过程中观测粒子，则粒子的状态就会改变，纠缠状态也会破坏。这项属性使得创建一个理论上不可能被破坏或入侵的量子通信系统成为可能，因为窥探者单单进行观测就会破坏信息。

论文详细阐释了利用纠缠状态的光子来传输密钥的过程。光子从在距离地球500公里的轨道上运行的“墨子号”卫星发出，抵达相距1120公里的新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站。

报道指出，1比特的信息使用两个处于纠缠状态的光子来加密。中国科学家这次展示了372比特密钥的安全传输。密钥可用于解锁通过任何渠道传输的加密信息，包括互联网和电话。

报道注意到，中国科学家在研究中使用不同类别的攻击来测试系统，结果显示系统安全。这种传输方式的速度和效率大约是地面光纤的上亿倍。研究负责人指出，这项工作为创建全球量子通信网奠定了基础。

西班牙国家研究委员会量子通信专家何塞·加西亚-里波利说：“没有人在如此远的距离完成过这项工作。中国科学家在技术层面上取得了独一无二的成就。中国正处于这个领域的前列。”

另据美国《纽约时报》网站6月15日报道，中国科学家团队在《自然》周刊上声称，在一颗卫星与两个大约相距1120公里的地面站之间，成功试验传输了一个用于对信息进行加密和解密的密钥。

报道称，这些中国作者于2017年首次报告在卫星传输中利用量子纠缠取得成功。现在他们表明，他们已提高其效率、降低其错误率，从而足以利用量子纠缠来进行密钥的分发。

曾在美国橡树岭国家实验室任职的科学家邓肯·厄尔说，中国的进步似乎意义重大。厄尔现在是位于加利福尼亚州维斯塔的量子计算技术公司的总裁兼首席技术官。

负责中国量子卫星研究工作的科学家潘建伟是上述发表在《自然》周刊论文的资深作者。

2016年8月，中国在戈壁滩上发射了世界上首颗用于试验光粒子量子信息传输的卫星。这颗卫星被称为“墨子号”，以纪念公元前5世纪的一位中国哲学家。卫星发射激光束，为两台相距1120公里的望远镜分发量子信号，这两台望远镜分别建在德令哈和南山地面站。

接着，2017年6月，潘博士及其33名中国同事在美国《科学》周刊上称，传输取得了成功。他们说，其信号效率“比两个光子通过通信光纤双向传输（这一标准方式）高了若干数量级”。

在新论文中，潘博士的团队称，他们升级了望远镜和光学设备，精细跟踪了该系统相隔遥远的各部分的目标，从而提高了通信连接的效率。

作者们写道，实验结果表明，密钥传输的实际安全性提高到了“前所未有的水平”。

量子计算技术公司的厄尔博士说，云雨等环境因素此前曾大大削弱中国在地球与太空间的传输。他在提到新披露的研究成果时说：“这是进步，是向前迈出的重要一步。”

厄尔博士说，总的来说，北京似乎在解开量子谜团以及在太空中实际应用量子技术这场竞赛中远远领先于华盛顿。

“墨子号”量子科学实验卫星是中科院空间科学战略性先导科技专项之一。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。

该研究工作得到了中科院、国家自然科学基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。

--中国科大新闻网，参考消息

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y