国际上首次成功实现从卫星到地面量子密钥分发和从地面到卫星量子隐形传态
记者 方梦宇
题图：2016年12月10日，在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验（合成照片）。新华社记者 金立旺 摄
本报合肥8月10日讯（记者 方梦宇）今天凌晨，中国科学技术大学潘建伟、彭承志团队联合中科院上海技术物理研究所等单位宣布，“墨子号”量子科学实验卫星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。
这是继今年6月实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验后，我国科学家利用“墨子号”实现的又两项重大突破。至此，“墨子号”量子卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标。通过这一技术，人类将实现绝对安全的保密通信。
千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，传统加密技术依赖于计算的复杂性，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。
量子密钥从根本上颠覆了这一传统的加密模式。那么，什么是量子密钥？
量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说：“通俗地说，量子密钥就是在A和B之间共同生成一串只有它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。
“这就好比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。”潘建伟说。
量子的不可克隆性让其成为绝对安全的通信方式，但也让量子信号不能像经典通信一样通过复制被放大。再加上地面传输信号的损耗非常大，因此之前地面上的量子通信，最远距离不过百公里量级。
为了更好利用这把“双刃剑”，实现安全、长距离、可实用化的量子通信，潘建伟等人将目光投向了外太空。
去年8月升空的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，为太空“量子传密”提供了可能。实验证明，卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300千比特的安全密钥，平均成码率可达1.1千比特每秒。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。
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。而根据测算，在同样长度的光纤中重复这一工作，则需要3800亿年才能观测到一个事例。
潘建伟说，这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。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、京沪干线等互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。
随着“墨子号”的全部既定科学目标提前完成，领跑的“墨子号”所产生的聚合效应已经开始显现。目前，奥地利已经与中科院科研团队展开合作，德国、意大利等国家科研团队也在申请加入合作研究。
中国教育报2017年8月11日头版头条
