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2021/12/25
北京時間8月10日凌晨，世界頂級學術期刊《自然》雜誌登出了科學技術大學潘建偉團隊的最新成果：他們藉助量子科學衛星「墨子號」，成功向河北興隆地面站分發了量子密鑰，最遠距離達到1200千米，平均誤碼率僅有1.1%。
量子密鑰分發（QKD）是一種理論上絕對安全、不可被竊聽的加密方法，也是量子通信網路中最先可能商業化的部分。通信者用量子疊加態對信息進行加密，而基於量子不可複製原理，任何竊聽行為都會對整個通信系統造成干擾。
自1989年，科學家們首次實現距離32厘米的量子密鑰分發以來，學界就在不斷探索更遠距離的實驗。不過，傳統的光纖傳輸損耗較大，而同樣基於量子不可複製原理，量子信號無法像其他通信信號一樣得到增強，這大大限制了量子密鑰分發距離。潘建偉團隊運用星地傳輸，顯著降低光子的損耗率，使得相距1200千米的量子密鑰分發成為現實。
那麼，這種信息加密方式，為什麼在理論上是絕對安全的呢？這需要從一篇1984年發表的論文說起。
bb84協議：絕對安全的量子通信1984年，當時任職於IBM研究中心的本內特（Charles H. Bennett）和當時就職於蒙特利爾大學的布拉薩爾（Gilles Brassard）在國際計算機、系統和信號處理大會上發表的一篇文章，奠定了首個量子加密協議。基於兩位作者的姓氏首字母和發表年份，該協定也被人稱為「bb84」協議。「bb84」協議構想了一種，在理論上絕對安全的密鑰傳輸方法。現在，我們假設有一個信息發送者Alice，她想發送一串由1和0組成的二進位密鑰給信息接受者Bob，同時，還存在一位潛在的竊密者Eve。
在傳統通信渠道中，竊密者Eve可以截獲Alice傳來的密鑰，並複製給Bob。這樣，Bob並不會察覺到密鑰已經被人竊聽了。
而在量子通信渠道中，信息是編碼在光子的偏振態上的。所謂的量子，是物理學中不可再分的基本單元，由德國物理學家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在「半個光子」的說法。
現在，我們假設存在兩台機器A和B，A機器可以產生垂直偏振（記為0）和水平偏振（記為1）的光子，B機器可以產生45度偏振（記為0）和135度偏振（記為1）的光子。如果按照A密碼本去讀A機器產生的光子，可以正確地讀出0或者1，但是，如果按照B密碼本去讀A機器產生的光子，每個光子都會被隨機讀成0或者1，也就是說，和瞎猜的概率一樣。
值得一提的是，量子具有不可複製的性質。如果竊聽者Eve截獲了一個光子，由於他只能隨機選擇A密碼本或者B密碼本去讀，Eve得到正確的數字的概率為75%，而他繼續發送給Bob的光子也是如此。也就是說，Eve的竊聽不被發現的概率是75%。
這是單光子的情況。如果Alice發送的是10個光子，Eve不被發現的概率是5.6%；如果Alice發送的是100個光子，Eve不被發現的概率是十萬億分之三。
Alice發送完光子串后，會通過經典通信渠道，比如打電話，與Bob核對部分光子。如果發現不存在被竊聽的情況，在理論上說，Alice就可以繼續向Bob分享剩下的光子的密碼本，由Bob挑選出用對密碼本的部分作為密鑰。
星地量子密鑰分發
這種可以防止黑客竊聽的量子密鑰分發，在國防、政府和商業通信領域很有潛力。去年11月份，潘建偉團隊就利用地面光纖，實現了400公里的量子密鑰分發。
這次，潘建偉團隊通過去年8月發射升空的量子科學衛星「墨子號」分發密鑰，光子的損耗率幾乎可以忽略不計。衛星上搭載了用於產生量子密鑰的光學系統，由八個激光二極體（四個用於產生密鑰信號，四個用於產生誘騙態，產生的光波長為850nm）、一個半波片、兩個偏振分束器和一個分束器組成。
「墨子號」處於太陽同步軌道上。每天的當地時間00:50分，墨子號進入河北興隆地面站的視野範圍內，持續大約5分鐘。
《自然》雜誌上的論文數據來自2016年12月19日，量子密鑰分發時間持續273秒。在最近距離645千米，地面站接收光子的速率達到每秒12000比特，而在最遠距離1200千米，地面站接收光子的速率達到每秒1000比特。實驗平均誤碼率維持在1%左右。在密鑰分發的最後階段，誤碼率明顯上升，論文解釋道，這是因為此時地面站的望遠鏡朝向了北京方向，受到環境亮度的干擾增加。
在完成首個超過1200千米的星地量子通信實驗后，潘建偉團隊計劃以「墨子號」為中轉，實現遠距離地面間的量子密鑰分發。比如說，興隆地面站把密鑰分發給衛星后，衛星儲存2小時密鑰，等到出現在新疆南山地面站的視野範圍內，再分發給南山站。
潘建偉團隊也將在、奧地利、義大利和德國間實驗洲際密鑰分發。
論文結尾提到，地面的量子通信光纖，足以覆蓋百公里級別的距離。為了提高衛星的覆蓋面積，搭建全球量子通信網路，潘建偉團隊必須發射更多低軌或高軌的量子通信衛星，組建星座，儘可能實現在地球上的任意地點，只要天氣條件合適，即可實踐量子通信。
上個月，潘建偉團隊在《自然·光子學》期刊（Nature Photonics）上發表了在青海湖白天遠距離（53公里）自由空間量子密鑰分發的成果。下一代量子通信衛星將不再怕光，能夠白天上崗。
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