6月16日讯，据中国科学院获悉，一支联合科研团队近日利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟表示，实验中，研究团队利用“墨子号”作为量子纠缠源，通过对地面望远镜进行升级，实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。

这一实验成果将无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，并通过物理原理确保，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保密通信，取得了量子保密通信现实应用的重要突破。该实验由潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队，联合牛津大学阿图尔·埃克特、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一起完成。

基于纠缠的量子保密通信，利用空间信道的衰减比较少，把点对点现场密钥分发的距离由百公里量级提升到了一千公里。未来一轨就能够产生约 4 万个密钥，这对于一些绝密的或者说高密级的信息传输已经够了。

量子是构成物质的最基本单元，不可分割。量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式，但需要解决两大挑战，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，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，但如果卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。

量子是构成物质的最基本单元，无法被分割、无法被复制，一旦被动手脚必然留下痕迹，这使得用量子态所产生的密钥，从物理根基上就无法被破解。基于纠缠的量子密钥分发的原理是，无论处于纠缠状态的光子之间相隔多远，只要测量了其中一个光子的状态，另一个光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直接产生密钥。

“实现信息安全，是人类的千年梦想。而所有依赖于计算复杂度的经典加密算法原理上都会被破解。”潘建伟表示，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。

量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都随着距离增加而指数增加。潘建伟说，由于信号的损耗，使用光纤分发量子密钥有一个距离的上限，通过国际学术界30余年的努力，此前已将现场点对点分发量子密钥的安全距离提高到了百公里量级。

要实现更远距离的量子密钥分发，一个可行的方案是使用可信中继。

什么是可信中继？潘建伟认为可以理解为“接力跑”：单光子在光纤中从a地要跑到b地，但跑着跑着“没力气”了，这时就可以设置个值得信赖的节点让密钥“落地”一下，再由其他光子接着向前跑。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。

不过，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，可如果卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。

潘建伟说，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，原理上，利用量子中继可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。而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。

量子纠缠，是由量子叠加原理引申出来的。如果把量子叠加原理用于多个量子的情况就是量子纠缠，它是两个（或多个）粒子共同组成的量子状态。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直接产生密钥，而不需要可信中继来中转。

据了解，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，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。

目前，我国正在规划建设量子卫星网络，结合最新发展的量子纠缠源技术，每秒可产生 10 亿对纠缠光子，最终密钥成码率有望大幅提高，为其实用化提供必要的技术支持。

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。《自然》审稿人称赞这一研究工作是“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”。

《自然》期刊高级编辑费德里科·利瓦伊评价，“这是一项非常重要的突破，研究人员将光子制备、分发和测量的效率提升到了足够高的水平，从而确保能够生成安全密钥。这项实验首次演示了基于纠缠的远距离量子密钥分发，是迈向量子安全通信道路上的一个重要里程碑。”