中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合牛津大學(xué)Artur Ekert、中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇團(tuán)隊(duì)以及微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊(duì)，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。該實(shí)驗(yàn)成果不僅將以往地面無(wú)中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且通過(guò)物理原理確保了即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下依然能實(shí)現(xiàn)安全的量子通信，取得了量子通信現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要進(jìn)展。6月15日，研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上在線發(fā)表了題為“基于糾纏的千公里級(jí)安全量子加密”的研究論文�！蹲匀弧冯s志發(fā)布了題為“基于衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離安全通信”的新聞稿加以推介。 #j Tkz  
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　　量子通信提供了一種原理上無(wú)條件安全的通信方式，但要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用，需要解決兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實(shí)條件下的安全性問(wèn)題和遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題。通過(guò)國(guó)際學(xué)術(shù)界30余年的努力，目前現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達(dá)到了百公里量級(jí)。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，使用可信中繼可以有效拓展量子通信的距離，比如世界首條量子保密通信京滬干線通過(guò)32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，貫通了全長(zhǎng)2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡(luò)；而利用“墨子號(hào)”作為中繼，在自由空間信道進(jìn)一步拓展到了7600公里的洲際距離。然而，盡管可信中繼將傳統(tǒng)通信方式中整條線路的安全風(fēng)險(xiǎn)限制在有限個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)范圍，中繼節(jié)點(diǎn)的安全仍然需要得到人為保障。例如，在星地量子密鑰分發(fā)過(guò)程中，量子衛(wèi)星作為可信中繼，掌握著用戶(hù)分發(fā)的全部密鑰，如果衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。 0:Bpvl5  
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　　實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通信的最佳解決方案是結(jié)合量子中繼和基于糾纏的量子密鑰分發(fā)�；�于糾纏的量子密鑰分發(fā)的原理是，無(wú)論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要測(cè)量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)確定，這一特性可以用來(lái)在遙遠(yuǎn)兩地的用戶(hù)間產(chǎn)生密鑰。由于對(duì)粒子的測(cè)量局域地發(fā)生在用戶(hù)端，糾纏源不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源（例如衛(wèi)星）由不可信的他方提供，只要用戶(hù)間檢測(cè)到量子糾纏，就可以產(chǎn)生安全的密鑰。因此，量子通信源端不完美帶來(lái)的安全問(wèn)題可以得到完全解決，進(jìn)一步提高了量子通信的現(xiàn)實(shí)安全性。原理上，利用量子中繼可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，但實(shí)用化的量子中繼還需要較長(zhǎng)時(shí)間。 6Gg`ExcT5  
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　　利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過(guò)自由空間信道在遙遠(yuǎn)兩地直接分發(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。特別是“墨子號(hào)”在2017年首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)就成為國(guó)際學(xué)術(shù)界熱切期盼的目標(biāo)。 ^zTe9:hz/\  
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　　基于“墨子號(hào)”的前期實(shí)驗(yàn)工作和技術(shù)積累，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)和后光路進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。“墨子號(hào)”過(guò)境時(shí)，同時(shí)與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個(gè)地面站建立光鏈路，以每秒2對(duì)的速度在地面超過(guò)1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，進(jìn)而在有限碼長(zhǎng)下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)地面接收光路和單光子探測(cè)器等方面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和防護(hù)，保證了公平采樣和對(duì)所有已知側(cè)信道的免疫，所生成的密鑰不依賴(lài)可信中繼、并確保了現(xiàn)實(shí)安全性。結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來(lái)衛(wèi)星上可望每秒產(chǎn)生10億對(duì)糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過(guò)境幾萬(wàn)比特。 )@9Eq|jMC  
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　　《自然》雜志審稿人稱(chēng)贊該工作“展示了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果”，“這是朝向構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步”，“……不依賴(lài)可信中繼的長(zhǎng)距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑”。 sf$hsPC^  
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　　該研究工作得到了中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。 ~rb]u Ny-  
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　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y