“墨子號”量子密鑰分發示意圖（中科院供圖）

中國“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次成功實現從衛星到地面的高速量子密鑰分發，為建立最安全保密的全球量子通信網絡奠定可靠基礎。

“墨子號”的這一成果發表在10日出版的國際權威學術刊物《自然》雜志上。《自然》雜志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發成果是“令人欽佩的成就”和“本領域的一個里程碑”。

量子衛星首席科學家、中國科學院院士潘建偉說，“墨子號”量子密鑰分發實驗采用衛星發射量子信號，河北興隆與新疆南山地面站分別接收的方式，在北京和烏魯木齊之間建立了量子密鑰。

“墨子號”開展量子密鑰分發，2017年5月攝于烏魯木齊南山，多張照片合成了衛星過境全貌。（中科院供圖）

據介紹，“墨子號”過境時與地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級（萬億億倍）。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗約10分鐘可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達每秒1.1kbit。

“墨子號”開展量子密鑰分發，2017年5月攝于河北興隆。（中科院供圖）

“這樣的密鑰發送效率可以滿足絕對安全的打電話或銀行傳輸大量數據的需求。”潘建偉說。

他說，這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。以星地量子密鑰分發為基礎，將衛星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發范圍擴展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網（如合肥量子通信網、濟南量子通信網、京滬干線）互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡。

絕對安全的保密通信

通信安全是國家信息安全和人類經濟社會生活的基本需求，也是當代世界的難題。竊聽、反竊聽；加密、解密……這些密碼學中的矛與盾處于恒久的博弈之中。

保密通信的原理在于，唯有掌握密鑰，才能輕易重現傳遞的信息。信息的安全性主要依賴于密鑰的秘密性。然而，傳統加密技術在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數學和計算能力的不斷提升，經典密碼被破譯的可能性與日俱增。20世紀90年代，美國數學家肖爾證明量子計算可以攻破目前廣泛使用的公鑰體系。2015年11月，美國科技公司谷歌推出的D-Wave量子計算機，宣稱其在解決問題時能夠比其他任何計算機都快一億倍，并能破解任何現有密鑰體系。

“墨子號”開展量子密鑰分發（中科院供圖）

有沒有絕對安全的保密通信，讓竊聽、破譯者無計可施？所幸的是，量子物理提供了解決這一問題的辦法。如果量子計算機是針對傳統密碼的“利劍長矛”，那么量子密碼技術就是抵御它的“堅固盾牌”。量子密碼提供了一種不可竊聽、不可破譯的新一代密碼技術。

專家介紹，與經典通信不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

潘建偉說，量子密鑰就是在A和B之間共同生成一串只有他們兩邊知道的隨機數，然后用這個隨機數來加密。量子密鑰一旦被截獲或者被測量，其自身狀態就會立刻發生改變。截獲量子密鑰的人只能得到無效信息，而信息的合法接收者則可以從量子態的改變中得知量子密鑰曾被截取過。將量子密鑰應用于量子通信中，就是量子保密通信。與傳統通話方式相比，量子保密通信采用的是“一次一密”的工作機制，通話期間，密碼機每分每秒都在產生密碼，一旦通話結束，這串密碼就會立即失效，且下次通話不會重復使用。

潘建偉打了個比方，古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底，因為一旦有人試圖打開“信件”，量子密鑰會讓“信件”自毀，并讓使用者知曉。

從太空突破極限

他說，量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數增加。由于量子不可克隆原理，單光子量子信息不能像經典通信那樣被放大，這使得之前的量子通信的局限在百公里量級。

2016年11月28日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。 新華社記者 金立旺 攝

“根據數據測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來奮斗的共同目標。”潘建偉說。

他說，利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由于衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。從本世紀初以來，該方向已成為了國際學術界激烈角逐的焦點。

量子衛星與新疆南山站建立鏈路時工作人員合影留念。（中科院提供）

潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。2003年，潘建偉團隊提出了利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨后于2004年在國際上首次實現了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。2013年，中科院聯合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨后，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號”量子科學實驗衛星。“墨子號”于2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。

量子衛星與興隆站建立鏈路。（中科院提供）

量子通信在國防、軍事、金融等領域應用前景廣闊。有專家預測，量子通信技術可能在20至30年后對人類社會發展產生難以估量的影響。量子通信因其傳輸高效和絕對安全等特點，被認為是下一代通信和計算機技術的支撐性研究，也已成為全球物理學研究的前沿與焦點領域。

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