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墨子号超期服役实现量子通信重要突破
发布时间:2020-06-29 13:20访问
  在完结“无条件安全”通讯方面,这世界上或许很少有人比我国科学院院士、我国科学技能大学教授潘建伟愈加执着——即便是超期服役的卫星,他也要“吃干榨净”。
  
  6月15日,英国《天然》杂志在线宣布了一篇题为《根据羁绊的千公里级安全量子加密》的研讨论文。潘建伟团队联合英国牛津大学教授Artur Ekert,中科院院士、中科院上海技能物理研讨所研讨员王建宇团队,中科院微小卫星创新研讨院,中科院光电技能研讨所等相关团队,使用“墨子号”量子科学试验卫星,在世界上首次完结了根据羁绊的千公里级量子密钥分发。
  
  该试验效果不仅将以往地上无中继量子保密通讯的空间间隔提高了一个数量级,而且经过物理原理,保证了即便在卫星被他方操控的极端情况下,仍然能完结安全的量子通讯,成为量子通讯向实际运用的重要突破。
  
  “信息驿站”的安全隐患
  
  “量子通讯供给了一种原理上无条件安全的通讯方法,但要从试验室走向广泛运用需要处理两大应战,分别是实际条件下的安全性问题和远间隔传输问题。”潘建伟说。
  
  经过世界学术界30余年的努力,现在现场点对点光纤量子密钥分发的安全间隔到达了百公里量级,而试验室里则能到达500公里。
  
  可要想进行更长间隔的量子通讯,就只能运用“信息驿站”了。使用可信的中继,人们能够有效地拓展量子通讯的间隔。
  
  例如,经过32个中继节点相连接,世界首条量子保密通讯“京沪干线”贯通了全长2000公里的城际光纤量子网络;而使用“墨子号”作为中继,我国科学家已经在自由空间信道完结了7600公里的洲际通讯间隔。
  
  “从理论上讲,量子通讯线路是安全的,但这些中继节点的安全性,还需要得到人为的保障。”潘建伟举例说,假如人们运用量子卫星来作为中继节点,卫星就把握着用户分发的悉数密钥,一旦卫星被他方操控,仍然会有信息泄露的危险。
  
  2017年,“墨子号”满意完结了既定的三大科学目标——千公里级的量子羁绊分发、量子密钥分发及量子隐形传态后,按说能够“荣耀退休”了,可潘建伟总觉得,这颗先进的科学卫星还能做更多的事。
  
  “发一颗卫星不容易。咱们想测验一下,如果把‘墨子号’作为羁绊源,而不是中继点,去发生安全的密钥,那么就有或许处理由量子通讯源端不完美带来的安全问题。”潘建伟告知《我国科学报》。
  
  “老兵”的新任务
  
  在潘建伟的设想中,使用卫星作为量子羁绊源,经过自由空间信道在悠远两地直接分发羁绊,为现有技能条件下完结根据羁绊的量子保密通讯供给了可行的途径。
  
  2017年,“墨子号”首次完结千公里量级的自由空间量子羁绊分发后,完结根据羁绊的远间隔量子密钥分发,就成了世界学术界热切期盼的目标。
  
  从理论上说,根据羁绊的量子密钥分发的原理是,不管处于羁绊状态的粒子之间相隔多远,只需测量了其间一个粒子的状态,另一个粒子的状态也会相应确认。这样,在悠远两地的用户之间,就会发生密钥。
  
  因为对粒子的测量局域地发生在用户端,羁绊源并不把握密钥的任何信息,即便羁绊源由不可信的他方供给,只需用户间能够检测到量子羁绊,就仍然能够发生安全的密钥。
  
  不过,想让天上的卫星干更多活,科学家需要在地上上做许多预备。根据前期的试验工作和技能积累,研讨团队经过对地上望远镜主光学和后光路进行晋级,完结了单边双倍、双方四倍接纳功率的提升。
  
  “墨子号”卫星过境时,一起与相隔1120公里的新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地上站树立光链路,以每秒2对光子的速度在两个站之间树立起了量子羁绊,从而在有限码长下以每秒0.12比特的终究码速率发生密钥。
  
  “在试验中,咱们经过对地上接纳光路和单光子探测器等方面进行精心规划和防护,保证了公平采样和对一切已知侧信道的免疫,所生成的密钥不依赖可信中继,并保证了实际安全性。”王建宇说。
  
  “边走边下蛋”
  
  《天然》杂志审稿人评论称,该工作“展现了一项开创性试验的效果,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。我认为,不依赖可信中继的长间隔羁绊量子密钥分发协议的试验的完结是一个里程碑”。
  
  “开始规划‘墨子号’的时候,咱们也没想到能做这个试验。现在这个效果也只是原理性的科学试验,暂时还没有实用价值。”虽然潘建伟描述自己的工作是“边走边下蛋”,但实际上,他已经在构思下一步棋该怎么下了。
  
  比如,根据该研讨效果开展起来的高效星地链路搜集技能,能够将量子卫星载荷分量由现有的几百公斤降低到几十公斤以下,一起将地上接纳体系的分量由现有的10余吨大幅降低到100公斤左右,完结接纳体系的小型化、可搬运,为将来卫星量子通讯的规模化、商业化运用奠定坚实的基础。
  
  结合最新开展的量子羁绊源技能,潘建伟预计,未来卫星上可每秒发生10亿对羁绊光子,终究密钥成码率将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特,从而完结能够实用化的量子保密通讯。
  
  虽然还有很长的路要走,但这项研讨效果仍然是实际条件下完结安全、远间隔量子保密通讯的一项重要突破。正如量子暗码的提出者之一Gilles Brassard所说的那样,“这将终究完结一切暗码学者千年来的愿望”。