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中国量子通信达到千公里级!卫星加密从天而降,凭借一点突破难关
发布者:admin发布时间:2020-06-24 21:35:30

2020年6月中旬一则来自中国量子通信领域里程碑式的事件,登上了全球知名杂志《自然》的头条。据悉由量子通信先驱者潘建伟院士带领的团队,与中科院的研究团队合作,实现了星地间千公里级加密密钥的同时输送。在我国“墨子号”量子卫星的星地辅助下,科研团队以量子纠缠为基础,在全球首次完成了利用卫星中继、达到上千公里地面站间量子密钥的分发,相比于以往地面没有可信中继的密钥分发距离上,再次上升了整整一个数量级。而且本次量子通信能在量子卫星不完全受控的局面下,利用物理原理本身实现通信安全。

在继续深入了解这项“改变未来通信方式”的量子通信技术之前,我们先得清楚一系列专业名词和术语。所谓量子通信是在研究物质微观粒子的量子力学基础上,借助量子纠缠实现信息输送的通讯技术。其中量子是如电子、光子等微观粒子,而量子纠缠简单说就是这些微观粒子间彼此结合作用时,形成一种具有新特性、整体性的现象。此次远距离通信实验就是在量子纠缠的基础上进行的,其利用已形成量子叠加态的一对粒子,在改变一端粒子的状态时,即使相隔千里,也能使另一端粒子状态跟随改变。

“鬼魅般的超距相互作用”,这是初步建立量子力学论的物理学家爱因斯坦提出的,也是形容量子纠缠远距离效应的至理名言。因此在量子纠缠的基础上,经过近20多年无数量子科学家的研究,以及量子论与信息论的融合与发展,逐渐形成了“量子密钥分发”和“量子隐形传态”这两种量子通信方式。而本次潘建伟团队所进行的量子通信正是采用量子密钥分发这种方式。这种在经典二进制信息基础上进行加密的通信方式,正是利用了量子不可克隆或者不可复制的性质。

量子的不可克隆性,量子通信过程安全性的根本保证。由于形成量子叠加态的量子自身的状态极易改变,一旦其被打扰或者复制,就会立刻改变原有的状态形成新状态的量子,因此量子通信过程中信息被复制或者被破译的可能性几乎为零。而本次实验实现的量子密钥分发,就是在量子不可复制性的基础上,构建一组量子密码在所传输的二进制信息上进行加密的通信方式。所以从上述的量子理论角度上看,要实现量子通信的真正实用化和商业化,“安全性”和“远距离传输”是当今科学家面临的两大问题。

那么此次进行的地面距离上千公里量子密钥的分发,和以往纯地面量子通信实验有何不同呢?之前潘建伟科研团队在地面所进行的量子通信,通常是以光子作为信息的传输载体,借助光纤或者空间信道进行信息输送,虽然这种量子通信方式较为简单,但是存在随着距离增加、信号的损耗也相应增加的缺点,即使经过全球量子界数十年的钻研,地面密钥分发的距离也仅仅达到了百公里级。为了实现千公里级或者更远距离的密钥分发,量子卫星这种可信中继就是一个突破口。

此次潘建伟团队的实验是在新疆和青海两个地面站之间展开的,在使两个相距1120公里地面站间产生量子纠缠后,然后利用墨子号量子卫星进行密钥分发,向地面站输送对信息进行加密的密钥。但要清楚的是,此次的突破点在于量子卫星向两个距离千公里的地面站成功传输了密钥,而不是实现了千公里级地面站量子纠缠的建立,全球第一次利用量子卫星实现上千公里纠缠的建立,是早在2017年由中国科研团队实现的,其中量子纠缠的建立就是借助的墨子号卫星中继。

同时实验将为量子通信的商业化之路做好了铺垫,因为此次借助墨子号量子卫星积累的星地链路技术,能使卫星自身的负荷达仅为原先的十分之一,更值得称道的是地面的信息接收部件重量也可减少98%至99%,其为卫星和接收系统的小型化打下了基础。本次利用卫星实现地面上千公里的密钥分发,为全球量子网络的构建和全球化量子密钥传输打下了基础,其传输的安全性也达到了一个新的高度,是中国量子通信领域拓展的重要一步。