【引中科院】6月15日下午,中科院举办线上新闻发布会,潘建伟院士介绍了最新进展,借用了4年前发射的“墨子号”卫星,实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信。

团队的论文 “基于纠缠的1120公里安全量子加密(Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres)” 现已在 Nature 发表[1]。

 

中国量子通信又双叒新纪录!一文读懂量子通信是什么?(附视频讲解)-量子客

通信的距离从过去的百公里级别,刷新达到了千公里级的世界新记录。这一突破,标志着量子技术在量子通信领域的应用又有了新的高度。

当然,量子通信素来褒贬不一,怀疑者比比皆是,本文通过相关的资料的整理,帮您分解量子通信的基本技术和原理,更加理解这个技术的意义或价值。

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(视频来源:Science Magazine,本字幕由量子客整理)

 

什么是量子保密通信 ?

量子保密通信是指利用量子力学特有的相干、纠缠现象,进行信息传递的一种新型的通讯方式。

其与量子不可克隆定理和量子隐形传态(Quantum teleportation)密切相关,是量子信息科学应用中与量子计算并排的两大应用之一。量子通信最重要的优势是保护信息通道免受窃听。

我们常听到的量子保密通信,主要是指采用量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)进行安全通信。它使通信的双方能够产生并分享一组随机的、安全的密钥,用于加密和解密讯息。当然,人们经常把QKD和量子密码学这一概念混淆,事实上,QKD仅为量子密码学里最为著名的一个用例。

量子密钥分发的独特性质在于,如果有第三方试图窃听密码,则通信的双方就会发现有第三方侵入。其内在的核心运用了量子力学的基本原理:对量子系统的任何测量都会对系统产生干扰。

如下视频是QKD的原理演示:

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(视频来源:CQT)

 

第三方如果试图窃听密码,就必须采用某种方式测量它,而这些偷窃测量会让通信双方发现异常。

量子通信采用了与量子计算一致的量子比特作为信息载体,通过叠加(Superpostion)或者纠缠(entanglement)的状态来传输信息。

通信双方会考虑自然环境影响对系统影响,而设定一个窃听最低标准,当窃听可能性低于设定的标准时,一个安全的、可用秘钥就诞生了。

 
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两个纠缠的状态,(来源:MIT Technology Review)

 

这样获取秘钥的方式和传统密码学不同,传统密码学使用数学算法的计算复杂度方式来获取,两者之间有本质上的区别,一个是算法上的,一个是物理的。传统密码学无法觉察到窃听者,从而无法保证秘钥的安全。而QKD则能规避这一短板,而且它具有前向安全性。

但是需要强调的是,量子密钥分发只用于产生和分发密钥,并没有传输任何实质的讯息。

量子通信主要涉及:量子密码、量子隐形传态和量子密集编码等。随着不断的突破,这门学科已逐步从理论走向实验,并走出实验室,向实用化迈进。

目前,世界上已有美国、欧洲、中国、俄罗斯等多个研究小组和机构致力于量子通信网的研发。

量子客曾经播报过[3],中国领先的量子通信公司国盾量子,在科创板上市委过会的新闻,当然,现在国盾量子已在科创板IPO注册通过。

 

量子通信的挑战

在2008年8月,潘建伟教授团队研制20km级3方量子电话网络[4],但遇到了远距离通信的挑战,这样的挑战是全球研究者共同面对的问题。

前面提到,获取秘钥的方式与传统密码学的区别在于,量子秘钥分发需要依靠物理介质,使用物理介质会遇到两个关键性问题:

一是物理介质本身的材料属性(受环境等影响)会带来限制。

二是通信距离增加后,信号随长度的增加会衰减,到一定临界值时候,就无法使用。因此必须采用中继器对信号数据重新发送或者转发,以便于扩大传输距离。但中继器的出现就与不能窃听的安全通信这一出发点相悖。因为每增加一个中继器,安全隐患因素就增加一个量级(窃听可能出现在中继站处)。

如果长距量子纠缠得以实现,那量子秘钥分发就是自然而然的事情了。远距离和在实验室可使用相同的方式进行。而要达到这一目的,就需要用的量子卫星这个”神器“。

 

"墨子号“量子卫星是何方神圣?

中国量子科学实验卫星,简称“墨子号”,为了纪念我国战国时期科学家墨家学派的创始人墨子,在物理学尤其光学领域的突出成就,而取该名字。

墨子号是首颗量子科学实验卫星,重量为631kg,设计预期的使用寿命是2年。

       
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(来源:中国科学院)
 

量子卫星项目是中国科学院空间科学先导专项项目之一,在2011年12月立项,通过5年的研究准备,于2016年8月16日1时40分,在酒泉卫星发射中心搭载长征二号丁运载火箭升空,成为全球第一颗设计用于进行量子科学实验的卫星(注意,卫星本身并没有使用量子力学原理特性而区别于其他卫星)。

 

墨子号第一步突破,远距离保持纠缠

2017年6月16日墨子号成功实现两个量子纠缠光子,被分发到相距超过1200公里的距离后,仍可继续保持其量子纠缠的状态。只要保持了稳定的纠缠,就为秘钥分发打下基础。该年度出色的工作,使得墨子号2019年获美国《科学》杂志评选得克利夫兰奖[2]。

但遗憾的是,虽然获奖了,但潘建伟教授的领奖签证受到阻碍,由于个人签证处于“行政审理”状态,无缘出席活动,仅第一作者印娟教授前去领奖。

但是可喜的是,这是美国科学促进会颁发克利夫兰奖90多年来,中国科学家团队首次获得这一重要荣誉。

保持远距离纠缠,是安全通信非常关键的一步,通信双方需要各自持有纠缠态中的一个。过去,类似的远距离纠缠实验都是地球上进行。采用卫星的方式是大胆而且耗资巨大的。

至少,需要考量是否这个能力,把卫星送上天这一标准,大部分国家望尘莫及。

 

墨子号第二步突破,实现远距离通信

墨子号设计使用寿命是2年,理论上来说2019年,墨子号就需要”下岗“。但昨日(2020年6月15日),Nature发文,通过墨子号。此次做到了无中继的量子保密通信,从过去的百公里级提高到千公里级别,具体是1120km,瞬间提高了一个数量级。

重要的是,由于是无中继通信,就免去了中间可能的信息偷窃行为。即使量子卫星被”挟持“了,依然能做到保密通信。

此次成果,验证了基于地外卫星的QKD方案,可在远距离和安全性上超此前的方案。这为实现全球覆盖的广域量子通信网络打下了基础。

 

参考链接:

[1] Juan Yin, Yu-Huai Li, Sheng-Kai Liao , et al. Entanglement-based secure quantum cryptography over 1120 kilometres [J]. Nature, 2020 (https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y)

[2] http://www.takungpao.com.hk/news/232108/2019/0222/250844.html

[3] https://www.qtumist.com/post/9791

[4] China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)

 

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作者 | 丁艳、何奎林