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国际首次!中科大潘建伟团队新突破,千公里级量子密钥分发,通信安全更进一步

本文作者:肖漫 2020-06-16 18:27
导语:“墨子号”卫星再次立功。

量子保密通信的现实安全性又迈进了一大步!

由中科大潘建伟团队主导的量子通信研究实现了重要突破,主要表现于两个方面:

一是首次通过物理原理确保了卫星传输密钥的安全问题;

二是将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级,实现了 1120 公里无中继纠缠量子密钥分发;这同时也是国际上首次实现基于纠缠的千公里级量子密钥分发。

研究成果现已在《Nature》杂志发表,题为“Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres”《基于纠缠的千公里级安全量子加密》。

国际首次!中科大潘建伟团队新突破,千公里级量子密钥分发,通信安全更进一步

首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发

量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD),是一种在远程用户之间共享密钥的安全方法。

在理论上,量子通信提供了一种无条件安全的通信方式。但要走向应用,则存在着两大亟需解决的问题——现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。

经过科学界 30 多年的研究,在地球上的各个站之间产生量子密码学链接的最大距离约为 144 公里,在实验室则可以达到 500 公里。

如果想要实现更长距离的量子通信,则需借助“信息驿站”,例如借助卫星充当地面站的可信中继,以此增加量子链路的长度。

不过,中继节点的安全性是需要人为保障的。一旦信息驿站被劫持,或被他方控制,则存在信息泄露的风险。

由此,潘建伟团队寻求出新的解决方案,即“不依赖可信中继”。

潘建伟向《中国科学报》表示:

如果把“墨子号”(原作为中继的量子卫星)作为纠缠源,而不是中继点,去产生安全的密钥,那么就有完全解决量子通信源端的不完美带来的安全问题。

从理论层面上看,基于量子纠缠的量子密钥分发的原理是让用户之间通过量子纠缠直接产生密码,纠缠源不掌握密钥的任何信息,以此从根本上解决量子通信源端的安全问题。

也就是说,即使卫星被劫持,亦或是设备遭到控制,基于纠缠的量子密钥也依旧是安全的。

国际首次!中科大潘建伟团队新突破,千公里级量子密钥分发,通信安全更进一步

雷锋网注:图源中国科学院

在此次实验中,潘建伟团队是在相距 1120km 的青海德令哈站与新疆南山站之间进行,每个站点都有专门为量子实验设计的 1.2 米宽的新建望远镜。

为了提高量子密码链路的效率,研究人员将重点放在改进用于获取、定向和跟踪卫星和地面站目标的系统上。

不仅如此,研究人员还致力于提高地面镜片和其他光学设备的接收和收集效率。

最终,该研究实验将双光子分布的链路效率提高了近 4 倍,以每秒 2 对光子的速度在两个站之间建立起了量子纠缠,以每秒 0.12 比特的最终码速率产生密钥。

无疑,这一研究成果是量子通信领域里程碑式的进步。

《自然》杂志审稿人评论称:

(这一工作)展示了一项开创性实验的结果,这是构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步。我认为,不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验的完成是一个里程碑。

不仅如此,该研究成果还得到了行业人员的认可。

沃尔夫物理学奖获得者、量子密码的提出者之一吉尔斯·布拉萨德表示:

这将最终实现所有密码学者千年来的梦想。

“墨子号”,老将新用

前面提到,要实现长距离的量子通信需要借助中继点,而量子卫星就是作为中继的可用途径之一。

按照潘建伟院士的说法,如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”,那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。

而在此次研究实验中,“墨子号”便是原作为中继的量子卫星。

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雷锋网注:图为“墨子号”量子科学实验卫星概念图

2016 年 8 月 16 日,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”的升空,它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命,并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。

实际证明,墨子号不仅完成了它的使命,而且达到了超乎预期的成效。

2017 年,“墨子号”不仅圆满完成了 4 个月的在轨测试任务,还取得了多项新成果,包括首次实现千公里量级的量子纠缠、首次成功实现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。

至此,在 2017 年,“墨子号”就圆满实现预先设定的三大科学目标。

到了 2018 年 1 月,“墨子号”首次实现北京与维也纳之间相距 7600 千米的洲际量子保密通信,标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。

值得一提的是,“墨子号”的原设计寿命仅有 2 年,而今已在轨运行 3 年 10 个月,并还将继续服役。

中国研究人员在 2019 年 2 月 表示,“墨子号”量子科学实验卫星预计将超出预期寿命、继续工作至少 2 年以上,并展开更多国际合作。

也就是说,“墨子号”至少还将服役至 2021 年。

潘建伟,何许人也?

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在中国量子信息领域,潘建伟是不可或缺的关键性人物。

潘建伟,有“量子之父”之称,是“墨子号”的首席科学家。主要从事量子物理和量子信息等方面的研究,是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一,同时也是该领域具有重要国际影响力的科学家。

纵览潘建伟院士的履历,只能惊叹,非常人所及。

在《基于纠缠的千公里级安全量子加密》之前,潘建伟就曾多次在国际期刊上发表研究论文。

  • 2012 年 5 月,潘建伟在《现代物理评论》上发表题为“Multiphoton entanglement andinterferometry”《多光子纠缠和干涉度量学》论文。这是中国科学家在该刊物的首篇实验论文,并且该文章获得了 2015 年度国家自然科学一等奖(中国自然科学领域的最高奖项);

  • 2013 年 9 月 ,潘建伟团队与加拿大研究组合作的研究成果《利用测量器件无关量子密钥分发解决量子黑客隐患》发表于《物理评论快报》。不仅如此,《科学》杂志、《物理》杂志等刊物也进行了专题报道。

  • 2014 年 11 月,潘建伟及其它研究人员将可以抵御黑客攻击的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至 200 公里,并将成码率提高了 3 个数量级,创下世界纪录,该成果发表于《物理评论快报》。

  • 2015 年 2 月 26 日,《Nature》以封面标题的形式发表了潘建伟参与的研究论文《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》(Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon)。

      ·······

而就在今年,潘建伟又再次创下了世界纪录。潘建伟、包小辉团队在实验室中实现了长距离的量子纠缠,两种实验方案分别实现了 22 公里和 50 公里的量子纠缠。

基于其学术成就,潘建伟也多次得到了国内外认可,获奖无数。

早在 2001 年,潘建伟就入选“中科院引进国外杰出人才”;2017 年荣获“物质科学奖”;入选《自然》2017 十大科学人物;2018 年入选 100 名改革开放杰出贡献对象;2020 年 获得“2020 年蔡司研究奖”······

在国际上,潘建伟依然是备受肯定。2019 年 1 月,潘建伟团队获得了 2018 年度克利夫兰奖;这同时也是克利夫兰奖设立 90 年来,中国科学家在本土完成的科研成果首次获得该荣誉。 

如此成就,只能像网友那般,默默竖起大拇指了。

国际首次!中科大潘建伟团队新突破,千公里级量子密钥分发,通信安全更进一步

雷锋网(公众号:雷锋网)注:图片截自微博

参考资料:

【1】https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y

【2】http://dzb.whb.cn/2020-06-16/7/detail-687613.html

【3】http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/6/441474.shtm

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