【量子密鑰有新解方!】墨子號牽手「望遠鏡」成功建立量子糾纏,遠距傳輸也不用怕衛星被劫

【我們為什麼挑選這篇文章】量子通訊由於傳輸高效和絕對安全的特點,被認為是下一代通訊和計算機技術的突破性研究,2016 年 8 月中國科學家發射世界首顆量子實驗衛星「墨子號」後,各界都相當期待一個安全的全球通信網絡問世,但如何避免長距離傳輸時的資訊洩漏仍待解決。如今,這個技術限制有解決方案了,可說是全球量子通訊建設的新突破!(責任編輯:賴佩萱)

「這是構建全球化量子密鑰分發網絡、甚至量子互聯網的重要一步。」

獲得《自然》雜誌審稿人上述讚譽的,是 2020 年 6 月 15 日發表的一篇論文——《基於糾纏的 1120 公里安全量子加密》(Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres)。

量子通訊技術再突破

該論文展示了:沒有用地面中繼器情況下,借助「墨子號」量子科學實驗衛星, 在相隔 1120 公里的兩個地面站之間,成功實現基於糾纏的量子密鑰分發 。此外,論文結果還顯示,即使 在衛星被他方控制的極端情況下,通過物理原理依然能實現安全量子通訊

「墨子號」是中國乃至世界首顆量子科學實驗衛星,在 2011 年正式立項,於 2016 年 8 月由長征二號丁火箭發射升空,其目的是 實現覆蓋全球的廣域量子保密通訊

量子通訊沒那麼簡單!加密訊息需層層把關

要理解上面論文成果,得先了解一些量子通訊的技術背景。

先要說明的是,「量子」這一概念,並不特指某一種具體粒子。光子、電子或原子等微觀粒子都是量子範疇。

量子通訊因其訊息保密性,被視為 加密傳輸消息的利器 。理論上,量子訊息傳輸瞬時完成,是不可破解的。

但實現層面上, 為了交換加密消息,量子通訊需要使用光子分佈密鑰 (加密和解密密文的「鑰匙」)。這個過程被稱之為「量子密鑰分發」(Quantum Key Distribution,簡稱 QKD)。

由於隨著傳輸距離變長,光子損耗會迅速增加,因此在實際應用中, 兩個用戶之間的量子密鑰分發距離,被限制為大約 100 公里

要延長距離並且避免光子損耗,得加入「中繼器」,但只要涉及中繼節點,就會有被他方控制的風險

比如,世界首條量子保密通訊「京滬幹線」,雖然提供了 2000 公里的光纖量子網絡,但有 32 個中繼節點,每個節點安全都需要人為保障。

中繼器、量子糾纏都行不通,量子密鑰分發到底要如何實現?

取代地面中繼器的一個方法,是 利用「量子通訊衛星」進行量子密鑰分發

2018 年 1 月,在自由空間信道,中國和奧地利利用「墨子號」,實現了洲際量子密鑰分發,距離達 7600 公里。但如果採用這種方法,「墨子號」衛星掌握著用戶分發的全部密鑰,如果衛星被他方控制,就存在訊息洩漏的風險

利用量子的糾纏特性,成為解決這種風險的一副良方。量子糾纏是指,兩個或多個粒子相互依存的狀態,即使它們相隔數光年之遠。處於糾纏狀態的粒子,無論相隔多遠,只要測量了其中一個粒子的狀態,另一個粒子狀態也會相應確定。

從物理原理上說,由於對量子的測量,發生在地面站用戶端,糾纏源(衛星)不掌握密鑰任何訊息,即使衛星被他方劫持了,密鑰也不會洩漏。但在該論文發表前, 基於衛星糾纏的分發,不僅效率低下,而且錯誤率高,不足以支持量子密鑰分發

因此,如何在保證安全的情況下,實現基於糾纏的遠距離量子密鑰分發,成為量子通訊商業化、實用化的關鍵。

技術侷限難突破,靠「望遠鏡」成功提高量子糾纏效率

至此,我們可以總結一下量子密鑰分發過去的技術局限:如果沒有地面中繼器,那麼兩個地面站(用戶)之間的量子密鑰分發,最遠只能到 100 公里。如果借助量子通訊衛星,會有被劫持風險,因此需要藉助量子的糾纏特性,但糾纏分發的效率又不夠高。

再對比上述論文成果,就能明白其意義:將以往地面無中繼量子保密通訊的空間距離,提高了一個數量級。即使別人劫持了衛星,也沒辦法獲取加密的訊息。

那麼該論文研究團隊是如何實現這個突破的呢?

該論文作者之一,是中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉及其團隊。他同時是「墨子號」項目和「京滬幹線」項目的首席科學家。論文其他作者還包括:牛津大學 Artur Ekert、中科院上海技術物理研究所王建宇團隊、微小衛星創新研究院、光電技術研究所等相關團隊。

研究團隊進行實驗的兩個站點,分別是新疆烏魯木齊南山站,和青海德令哈站,相距 1120 公里。 研究人員在兩個站點處,設立了接受量子信號的望遠鏡

當「墨子號」衛星經過站台時,與兩個地面站的望遠鏡就建立光鏈路,以每秒 2 對量子的速度,在兩個站之間建立量子糾纏,進而產生密鑰

地面站的望遠鏡經過特殊設計,主光學和後光路都有升級,解決了上文所說的,衛星糾纏分發效率低的問題。據論文實驗結果,單邊望遠鏡有雙倍接收效率提升,雙邊則有四倍提升。

潘建偉擔任主任的量子物理與量子訊息研究部表示,基於該成果發展起來的高效星地鏈路收集技術,可以將量子衛星載荷重量,由現有幾百公斤降低到幾十公斤以下。

同時,能將地面接收系統重量,由現有 10 餘噸降低到 100 公斤左右,實現接收系統小型化、可搬運,為將來衛星量子通訊規模化、商業化應用奠定了堅實基礎。

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈衛星被劫也不會洩密,這項量子通信研究為什麼重要?〉。)

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