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“墨子号”量子通信 领跑世界

据新华社 人类能造出不可破解的密码吗?量子通信给出的答案是——能。中国“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次成功实现从卫星到地面的高速量子密钥分发,为建立最安全保密的全球量子通信网络奠定可靠基础。

“墨子号”的这一成果发表在10日出版的国际权威学术刊物《自然》杂志上。《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是“令人钦佩的成就”和“本领域的一个里程碑”。

“我们在量子通信研究领域保持着领跑优势,但竞争日趋激烈。”中科院院长白春礼院士说,美国已经发布了新的量子科研计划,欧盟、日本也在加紧研究,在新一轮的科研比拼中,科研工作者将以时不我待的精神,艰苦奋斗、勇攀高峰。

提前完成三大科学目标:

千里纠缠、星地传密、隐形传态

8月10日凌晨,中国科技大学潘建伟、彭承志团队联合中科院上海技物所等单位宣布,“墨子号”在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。

什么是量子密钥?作为最小的、不可再分割的能量单位,量子具有不可克隆、“测不准”等特性。用量子做成“密钥”来传递信息,窃听必然会被发现,且加密内容不可破译。

随着数学和计算能力的飞速提升,再复杂的加密算法也“很快”会被破解。基于“量子密钥”的量子通信,则是一种“原理上无条件安全”的通信方式。

实验表明,在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比地面光纤信道高1万亿亿倍,卫星平均每秒发送4000万个信号光子,一次实验可生成300千比特(kbit)的密钥,平均成码率达1.1千比特/秒(kbps)。

潘建伟说,这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。

此外,将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)互联,可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

星地量子隐形传态是“墨子号”的另一个重大科学目标。“墨子号”过境时,与海拔5100米的西藏阿里地面站建立光链路,地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例,从500公里到1400公里的距离向卫星发射纠缠光子。实验表明,所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越了经典极限。

至此,“墨子号”三大既定科学目标均成功实现,为我国未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究,奠定了坚实的基础。

又一个里程碑:

绝对安全的保密通信

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求,也是当代世界的难题。窃听、反窃听;加密、解密……这些密码学中的矛与盾处于恒久的博弈之中。

保密通信的原理在于,唯有掌握密钥,才能轻易重现传递的信息。信息的安全性主要依赖于密钥的秘密性。然而,传统加密技术在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升,经典密码被破译的可能性与日俱增。

有没有绝对安全的保密通信,让窃听、破译者无计可施?所幸的是,量子物理提供了解决这一问题的办法。如果量子计算机是针对传统密码的“利剑长矛”,那么量子密码技术就是抵御它的“坚固盾牌”。量子密码提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术。

潘建伟说,量子密钥就是在A和B之间共同生成一串只有他们两边知道的随机数,然后用这个随机数来加密。量子密钥一旦被截获或者被测量,其自身状态就会立刻发生改变。截获量子密钥的人只能得到无效信息,而信息的合法接收者则可以从量子态的改变中得知量子密钥曾被截取过。将量子密钥应用于量子通信中,就是量子保密通信。与传统通话方式相比,量子保密通信采用的是“一次一密”的工作机制,通话期间,密码机每分每秒都在产生密码,一旦通话结束,这串密码就会立即失效,且下次通话不会重复使用。

潘建伟打了个比方,古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹。量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底,因为一旦有人试图打开“信件”,量子密钥会让“信件”自毁,并让使用者知晓。

从太空突破极限:

量子通信已成全球物理学研究焦点

“根据数据测算,通过1200公里的光纤,即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器,也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。因此,如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。”潘建伟说。

他说,利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点,通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时,由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势,是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。从本世纪初以来,该方向已成为国际学术界激烈角逐的焦点。

潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年,潘建伟团队提出利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案,随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发,验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。

2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年,中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验,全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。

随后,该团队经过艰苦攻关,克服种种困难,最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空,经过四个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。

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责任编辑:顾莹