卫星被挟制也宁静：“墨子号”刷新无中继的量子密钥分发间隔

服役3年10个月的“墨子号”量子通讯实验卫星再次登上世界顶尖学术期刊《自然》。它将一对对胶葛光子分发给间隔1120公里的青海德令哈和新疆南山，两地间以巧妙的协议建立起量子密钥，其宁静性得到量子力学理论的包管。

实在，早在2018年的时候，“墨子号”就已经宣布初次实现了北京和维也纳之间的量子密钥分发，间隔长达7600公里。不外，那时卫星需要先后分别和北京、维也纳共建密钥，卫星自己从中起到了中继站的作用，是“量子邪术”的断点。

6月15日，“墨子号”首席科学家、中国科学技能大学教授潘建伟在接受包括汹涌新闻在内的媒体采访时表示，这次由于卫星只卖力分发胶葛光源，并不掌握密钥内容，因此纵然卫星被他方控制也能产生宁静的密钥。

这是无中继的量子密钥分发间隔初次突破1000公里，可以说是目前为止最宁静的远间隔量子暗码。

量子保密通讯理论奠基人之一Gilles Brassard对此评价道：“这终将实现全部暗码学者千年来的空想。”

“量子邪术”断点

如果将一串以“0”、“1”组成的数字加载在量子（通常是光子）的量子态上，就组成了量子密钥。一个未知的量子态不可以或许被准确地复制，一旦被丈量就会被破坏。因此，一旦有人窃取并试图自行读取量子密钥，一定会被发明。只有使用双方约定的“打开方式”，才能得到正确的密钥信息。

量子不可克隆定理虽然包管了这种量子密钥分发（QKD）技能被窃听必留陈迹，但也在工程上带来了无法像电信号一样被增强的难题。光子通过长间隔光纤传输，一定会产生损耗。

再加上情况噪音的影响，目前现实世界条件下两个地面用户之间直接通过光纤分发量子密钥，最远间隔只能到达约100 公里。

因此，间隔长达2000公里左右的世界首条量子保密通讯干线“京沪”干线，沿途设置了32其中继站点举行“接力”。

这些中继站点之间的链路得到量子力学理论的宁静包管，中继站点自己却没有，而是依赖人为掩护。只管这种方式将传统保密通讯中整条线路的宁静风险大幅缩小到这些中继节点范围，但仍然留下了可能的宁静性“断点。”如果以卫星为中继站，岂论地面两点相距多远，损耗仅产生在地面站和卫星之间，即10公里级的大气层厚度，再往上就近乎真空。但卫星中继也只是把“量子断点”缩减到了1个，仍然需要人为掩护。

基于胶葛的QKD

在提出最初的量子密钥分发协议BB84之后， Ekert在1991年提出了胶葛版本的量子密钥分发协议E91，随后在1992在又被Brassard等人加以改进形成BBM92协议。利用逾越间隔的神奇量子胶葛效应，无需中继的远间隔量子密钥分发成为可能。

量子胶葛被爱因斯坦成为“鬼魅般的远距作用”。处于胶葛态的两个量子岂论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态产生改变（好比人们对其举行丈量），另一个的状态会瞬时产生相应改变。

当“墨子号”卫星从上空颠末时，德令哈和南山各有专门的新建望远镜对胶葛光子举行吸收。只要使用相同的“打开方式”，如果一方读出信息为“0”，另一方一定会读出信息为“1”，那么，其中一方对“0”、“1”举行交换，即可共享一串量子密钥。而一旦双方相同部门密钥，发明差错许多，就是窃听者留下的陈迹。这一历程中，卫星只是卖力分发胶葛，自己并不参与量子密钥的产生，因此纵然卫星被他方控制，只要地面的双方可以或许验证胶葛的存在，就可以或许包管密钥的宁静。

“墨子号”逾越自我

虽然有现成的理论协议在，但“墨子号”想要实现高效、准确的光子传输和吸收并不容易。

“墨子号”工程常务副总设计师王建宇先容道，这几年来通过技能改进，卫星在天上的性能放大了一个数目级，地面站的吸收效率提高了4倍，“天地”相乘起来，现实能力提高了数十倍。

详细来说，为了优化吸收效率，两个地面站都新建了1.2米口径的望远镜，专门为量子胶葛分发实验而设计。

通过这些改进，实验结果以8倍以上尺度差违反了贝尔不等式（之前为约4倍尺度差），这显示了光子胶葛没有被破坏。双光子分发的链路效率提升约4倍，误码率从之前的8.1%降低至4.5%，终极的密钥成码率为0.43比特/秒。

这是“墨子号”的又一次逾越自我，升级打怪。

潘建伟说道，一开始设计卫星时，只想实现星地之间的量子密钥分发。为了充实发挥卫星的价值，厥后又拓展到星地双向量子胶葛分发，以及量子隐形传态举行探索。

如今，“墨子号”又超额完成了千公里级基于胶葛的量子密钥分发，性能依然良好。潘建伟表示，此次科学实验只是从0到1的原理性验证，每个轨道只能传送几十个密钥，尚无实用价值。

他透露，未来有望发射更高轨道的量子通讯卫星。差别于“墨子号”匆匆掠过地面站，高轨卫星全天时具备上岗能力。颠末六到七年积极后，基于胶葛的无中继星地量子密钥分发才可能具备开端实用价值，与地面上的量子保密通讯光纤网络形成配合。