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神奇的“隔空传物”来了―― 量子通信实现“里程碑式”升级
时间:2020-06-29 21:22 点击次数:

“隔空传物”一度是我们幻想中存在的一种完美通信方式,但几年前的“量子通信”已将它变成现实。之后研究人员通过使用可信“中继节点”,又有效拓展了量子通信的安全距离。

近日,在线发表在《自然》杂志上的一篇《基于纠缠的千公里级安全量子加密》的研究论文又告诉我们,人类已首次实现千公里级的基于量子纠缠效应的量子密钥分发――即量子通信已能实现“安全的千公里无中继节点地隔空传物”。最神奇的是,这种信息传递中,即便传递信息的卫星遭遇劫持,依然能确保安全通信。

本次实验成果来自于中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队,同时联合了牛津大学ArturEkert、中科院上海技术物理研究所王建宇团队以及微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队。他们利用“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。

我们这里所说的量子通信,正是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是基于量子纠缠态的理论,使用量子隐形传态(传输)的方式来实现信息传递的。它的确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,这一技术仍需要解决两大挑战,分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。

之前的技术支持,已通过可信的“中继节点”来有效拓展了量子通信的距离,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“墨子号”卫星作为“中继节点”,研究团队已在2017年首次实现千公里量级的自由空间量子纠缠分发,进而将自由空间信道进一步拓展到了7600公里的洲际距离。

此次公布的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,还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进展。

在拓展通信距离过程中,尽管“可信中继”能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”范围内,但“中继节点”的安全仍然需要得到人为保障。例如,在卫星与地面的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,就存在信息泄露的风险。

现在,研究人员发现,只要纠缠源(例如卫星)不掌握密钥的任何信息,即使纠缠源由不可信的他方提供,位于有效测量局域地的用户端一样可以通过检测到的量子纠缠状态,产生安全的密钥。也就是说,在通过“墨子号”完成信息传递时,可以不将它作为“中继节点”来使用,而是让它作为一个“量子纠缠源”,只负责“分发纠缠”,它不需要掌握任何密钥信息,这样就算是它被劫持,也不用担心有任何资料会被泄露。

研究团队表示,结合最新发展的量子纠缠源技术,未来卫星可望每秒产生10亿对纠缠光子,最终的密钥成码率也将提高到每秒几十比特或单次过境几万比特。

难怪《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”,“……不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发的实现,堪称‘里程碑’”。

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