絕對(duì)安全的量子通信：潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)千公里星地量子密鑰分發(fā)

 

　　澎湃新聞?dòng)浾?虞涵棋

 

　　北京時(shí)間8月10日凌晨，世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志登出了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的最新成果：他們借助量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，成功向河北興隆地面站分發(fā)了量子密鑰，最遠(yuǎn)距離達(dá)到1200千米，平均誤碼率僅有1.1%。

　　量子密鑰分發(fā)（QKD）是一種理論上絕對(duì)安全、不可被竊聽(tīng)的加密方法，也是量子通信網(wǎng)絡(luò)中最先可能商業(yè)化的部分。通信者用量子疊加態(tài)對(duì)信息進(jìn)行加密，而基于量子不可復(fù)制原理，任何竊聽(tīng)行為都會(huì)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)造成干擾。

 

　　自1989年，科學(xué)家們首次實(shí)現(xiàn)距離32厘米的量子密鑰分發(fā)以來(lái)，學(xué)界就在不斷探索更遠(yuǎn)距離的實(shí)驗(yàn)。不過(guò)，傳統(tǒng)的光纖傳輸損耗較大，而同樣基于量子不可復(fù)制原理，量子信號(hào)無(wú)法像其他通信信號(hào)一樣得到增強(qiáng)，這大大限制了量子密鑰分發(fā)距離。潘建偉團(tuán)隊(duì)運(yùn)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(fā)成為現(xiàn)實(shí)。

 

　　那么，這種信息加密方式，為什么在理論上是絕對(duì)安全的呢？這需要從一篇1984年發(fā)表的論文說(shuō)起。

 

　　bb84協(xié)議：絕對(duì)安全的量子通信

 

　　1984年，當(dāng)時(shí)任職于IBM研究中心的本內(nèi)特（Charles H． Bennett）和當(dāng)時(shí)就職于蒙特利爾大學(xué)的布拉薩爾（Gilles Brassard）在國(guó)際計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)和信號(hào)處理大會(huì)上發(fā)表的一篇文章，奠定了首個(gè)量子加密協(xié)議。基于兩位作者的姓氏首字母和發(fā)表年份，該協(xié)定也被人稱為“bb84”協(xié)議。

 

　　“bb84”協(xié)議構(gòu)想了一種，在理論上絕對(duì)安全的密鑰傳輸方法。現(xiàn)在，我們假設(shè)有一個(gè)信息發(fā)送者Alice，她想發(fā)送一串由1和0組成的二進(jìn)制密鑰給信息接受者Bob，同時(shí)，還存在一位潛在的竊密者Eve。

 

　　在傳統(tǒng)通信渠道中，竊密者Eve可以截獲Alice傳來(lái)的密鑰，并復(fù)制給Bob。這樣，Bob并不會(huì)察覺(jué)到密鑰已經(jīng)被人竊聽(tīng)了。

 

　　而在量子通信渠道中，信息是編碼在光子的偏振態(tài)上的。所謂的量子，是物理學(xué)中不可再分的基本單元，由德國(guó)物理學(xué)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(gè)光子”的說(shuō)法。

 

　　現(xiàn)在，我們假設(shè)存在兩臺(tái)機(jī)器A和B，A機(jī)器可以產(chǎn)生垂直偏振（記為0）和水平偏振（記為1）的光子，B機(jī)器可以產(chǎn)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(jī)器產(chǎn)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(jī)器產(chǎn)生的光子，每個(gè)光子都會(huì)被隨機(jī)讀成0或者1，也就是說(shuō)，和瞎猜的概率一樣。

 

　　值得一提的是，量子具有不可復(fù)制的性質(zhì)。如果竊聽(tīng)者Eve截獲了一個(gè)光子，由于他只能隨機(jī)選擇A密碼本或者B密碼本去讀，Eve得到正確的數(shù)字的概率為75%，而他繼續(xù)發(fā)送給Bob的光子也是如此。也就是說(shuō)，Eve的竊聽(tīng)不被發(fā)現(xiàn)的概率是75%。

 

　　這是單光子的情況。如果Alice發(fā)送的是10個(gè)光子，Eve不被發(fā)現(xiàn)的概率是5.6%；如果Alice發(fā)送的是100個(gè)光子，Eve不被發(fā)現(xiàn)的概率是十萬(wàn)億分之三。

 

　　Alice發(fā)送完光子串后，會(huì)通過(guò)經(jīng)典通信渠道，比如打電話，與Bob核對(duì)部分光子。如果發(fā)現(xiàn)不存在被竊聽(tīng)的情況，在理論上說(shuō)，Alice就可以繼續(xù)向Bob分享剩下的光子的密碼本，由Bob挑選出用對(duì)密碼本的部分作為密鑰。

 

　　星地量子密鑰分發(fā)

 

　　這種可以防止黑客竊聽(tīng)的量子密鑰分發(fā)，在國(guó)防、政府和商業(yè)通信領(lǐng)域很有潛力。去年11月份，潘建偉團(tuán)隊(duì)就利用地面光纖，實(shí)現(xiàn)了400公里的量子密鑰分發(fā)。

 

　　這次，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過(guò)去年8月發(fā)射升空的量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”分發(fā)密鑰，光子的損耗率幾乎可以忽略不計(jì)。衛(wèi)星上搭載了用于產(chǎn)生量子密鑰的光學(xué)系統(tǒng)，由八個(gè)激光二極管（四個(gè)用于產(chǎn)生密鑰信號(hào)，四個(gè)用于產(chǎn)生誘騙態(tài)，產(chǎn)生的光波長(zhǎng)為850nm）、一個(gè)半波片、兩個(gè)偏振分束器和一個(gè)分束器組成。

 

　　“墨子號(hào)”處于太陽(yáng)同步軌道上。每天的當(dāng)?shù)貢r(shí)間00：50分，墨子號(hào)進(jìn)入河北興隆地面站的視野范圍內(nèi)，持續(xù)大約5分鐘。

 

　　《自然》雜志上的論文數(shù)據(jù)來(lái)自2016年12月19日，量子密鑰分發(fā)時(shí)間持續(xù)273秒。在最近距離645千米，地面站接收光子的速率達(dá)到每秒12000比特，而在最遠(yuǎn)距離1200千米，地面站接收光子的速率達(dá)到每秒1000比特。實(shí)驗(yàn)平均誤碼率維持在1%左右。在密鑰分發(fā)的最后階段，誤碼率明顯上升，論文解釋道，這是因?yàn)榇藭r(shí)地面站的望遠(yuǎn)鏡朝向了北京方向，受到環(huán)境亮度的干擾增加。

 

　　在完成首個(gè)超過(guò)1200千米的星地量子通信實(shí)驗(yàn)后，潘建偉團(tuán)隊(duì)計(jì)劃以“墨子號(hào)”為中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離地面間的量子密鑰分發(fā)。比如說(shuō)，興隆地面站把密鑰分發(fā)給衛(wèi)星后，衛(wèi)星儲(chǔ)存2小時(shí)密鑰，等到出現(xiàn)在新疆南山地面站的視野范圍內(nèi)，再分發(fā)給南山站。

 

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)也將在中國(guó)、奧地利、意大利和德國(guó)間實(shí)驗(yàn)洲際密鑰分發(fā)。

 

　　論文結(jié)尾提到，地面的量子通信光纖，足以覆蓋百公里級(jí)別的距離。為了提高衛(wèi)星的覆蓋面積，搭建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，潘建偉團(tuán)隊(duì)必須發(fā)射更多低軌或高軌的量子通信衛(wèi)星，組建星座，盡可能實(shí)現(xiàn)在地球上的任意地點(diǎn)，只要天氣條件合適，即可實(shí)踐量子通信。

 

　　上個(gè)月，潘建偉團(tuán)隊(duì)在《自然·光子學(xué)》期刊（Nature Photonics）上發(fā)表了在青海湖白天遠(yuǎn)距離（53公里）自由空間量子密鑰分發(fā)的成果。下一代量子通信衛(wèi)星將不再怕光，能夠白天上崗。