【紫荊特稿】潘建偉：中國實現全球首次基於糾纏的無中繼千公里量子保密通信
潘建偉：中國實現全球首次基於糾纏的無中繼千公里量子保密通信
在量子加密領域，中國“一步千里”，再創奇跡！近日，中國科學技術大學教授、中國科學院院士潘建偉及其團隊聯合多家國內外單位，利用全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，在國際上首次實現了千公里級基於糾纏的量子密鑰分發。這項實驗成果的厲害之處在於，將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離從100公里量級的最遠距離提升至1,120公里，並且通過物理原理確保了即使在衛星被他方控制的極端情況下依然能夠實現安全的量子通信。
北京時間6月15日晚，國際權威學術期刊《自然》雜誌在線發表了這項重大研究成果——《基於糾纏的千公里級安全量子加密》。《自然》雜誌審稿人稱讚該實驗“展示了一項開創性實驗的結果”，“這是朝向構建全球化量子密鑰分發網絡甚至量子互聯網的重要一步”。15日下午，潘建偉院士及其團隊在中國科學院舉行了遠程視頻採訪會，向記者權威詳盡介紹了這項實驗成果的相關情況。
記者：您鑽研量子通信多年，也取得了多項舉世矚目的研究成果。那麼什麼是量子通信？我們為什麼要發展量子通信技術？
潘建偉：實現信息的安全傳輸，是幾千年來我們人類社會的夢想。最早的信息加密術，是古希臘的斯巴達人在約公元前7世紀發明的。他們是在一個用布帶纏繞的加密棒上寫上通訊內容，比如“明天發放攻擊”，只有接收棒的直徑一樣才能在布帶繞上去後把信息讀出來，這是非常古老的密碼。
後來我們發現每種語言對應的密碼方式固定下來之後，其實每個字符出現的頻率是固定的。這樣一來，儘管字符已經隱身了，但是只需計算一下每個字符出現的頻率，其實就可以破解信息了。人類雖然又發展了各種各樣的密碼，有矛就有盾，發展一個破解一個，比如RSA512在1999年被破解、RSA768在2009年被破解。
於是人們就產生了一個疑問，是不是人類的才智就構造不出一種我們人類自身不可破解的密碼？這是一個千年的問題了。因為前面的例子都告訴我們，依賴於計算複雜度的經典加密算法，隨著計算能力的提高，原理上都是有可能被破解的。
在此背景下，第二次量子革命中發展起來的量子信息技術出現了。它有三方面的內容——量子通信、量子計算、量子精密測量，其中量子通信可以為解決信息安全傳輸問題提供一個比較好的方案。
記者：量子通信如何確保信息在傳輸過程中的安全？
潘建偉：量子通信的加密原理其實比較簡單，所謂的量子就是構成物質的最基本單元，它的基本特徵是不可分割。比如一束光，光裡面最小的能量顆粒叫光子，光子就是一種量子。量子還有另外一個概念，比如光子它有兩個偏振方向，我們把一個水平偏振的光子叫做0，豎直的光子叫做1，光子沿著斜的方向振動就叫0+1。所以量子信息跟經典信息不一樣，經典信息裡面的一個比特只能處於0或者1的狀態，但是到了量子微觀世界裡面一個量子比特可以處於0+1這種狀態，那麼它就有了所謂的疊加態。這類疊加態有一個特徵，比如說本來它是一個斜著偏振的，在做一次實驗當中，你想看它到底是沿著豎直偏振還是水平偏振，因為它往上、往下走的概率是50%，所以當你去測量它的話，它的狀態就會發生改變，所以測不準。那麼利用量子的這兩個原理，我們就可以來做量子密鑰分發，或者叫做量子保密通信。
量子密鑰分發，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子。而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發現，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。從理論上講，在一種不能分割、不能精確測量的密鑰產生之後，通過對信息進行“一次一密”的加密，那麼加密的內容就可以不被破譯了。這在物理學上可以證明信息的傳輸是無條件安全的。
無中繼量子保密通信距離提升至千公里級
記者：量子通信在現實應用中，有哪些必須解決的技術問題？
潘建偉：有兩個我們必須解決的問題——現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。一是現實器件本身（光源、探測器等）跟理論條件不一樣，就會帶來一些安全性的漏洞。因為在現實條件下，我們的光源不一定是單光子的，所以我們的探測器有些時候能探測到光子，有些時候探測不到光子。
第二個問題是，因為單光子的信號不能精確的測量，它是不能被放大的。所以光在光纖裡面傳輸的時候，會因光子被光纖吸收而產生損耗，使得它的強度會隨著距離的增加而發生指數性的降低。
所以經過全世界科學家長期的努力，到目前為止最好的量子通信結果，是在實驗室裡面用點對點光纖可以做到500公里的傳輸，這也是由我們中國科學院團隊創下的一個世界紀錄。但是在現實物理傳輸時，由於存在其它的擾動，到目前為止全世界在地面的兩個點間現場傳輸的最遠距離只能做到100公里。
記者：我們知道您和團隊剛剛在英國《自然》雜誌發表了最新研究成果，把100公里的量子傳輸記錄提升到了千公里級。您和團隊是怎樣實現了這個傳輸距離的大幅拓展？
潘建偉：要實現遠距離安全量子通信，有一種階段性的解決方案是基於可信中繼站來傳輸，即站點間的路線是安全的，只需要人為保證中繼站點的安全就可以確保全程通信安全。比如在全長約2,000公里的光纖量子保密通信骨幹網“京滬幹線”中，我們共設立了32個可信中繼站點。
另外在2018年，我們利用“墨子號”量子衛星首次實現了北京到烏魯木齊、北京到維也納的距離達7,600公里的洲際量子保密通信。那時我們只有一個可信中繼就是“墨子號”衛星，我們先讓衛星和北京產生密鑰，讓衛星和烏魯木齊產生密鑰，讓衛星和維也納產生密鑰。因為這三個密鑰分別是維也納跟衛星的、烏魯木齊跟衛星的、北京跟衛星的，所以只要衛星在我們的控制中，沒有人去竊聽，通信就是安全的。
但後來人們就問，如果這個衛星不是中國造的，而是其它別的地方造的，這樣的話還能不能保證量子通信的安全？要解決這個問題，在當時的衛星條件下還比較困難。
於是我們就進一步想到了，要實現遠距離安全量子通信的最佳解決方案是結合量子中繼和基於糾纏的量子密鑰分發。這個方案的原理是由用戶利用量子糾纏直接產生密鑰，糾纏源和量子中繼只負責分發糾纏而不掌握密鑰的任何信息，這樣即使是不可信的糾纏源和量子中繼設備，只要量子糾纏存在就能夠產生安全的密鑰。
量子糾纏的概念是，比如有兩個骰子，它倆發生糾纏之後，當你扔其中一個骰子時，它會以1/6的概率出現1~6這6個數值中的某一個，與此同時扔另一邊的骰子也是這樣。在同一次實驗當中，它們兩邊的結果都是完全一樣的。我們把這種性質叫做量子糾纏。
當年愛因斯坦對量子糾纏感到很奇怪，他覺得這是不應該發生的。那麼經過幾十年的技術發展，大量的科學實驗都證明了這種糾纏確實是存在的。也就是說無論處於糾纏狀態的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態也會相應確定。那麼利用糾纏所出現的這種確定性的關聯，我們就可以來做量子密鑰分發。
利用這個原理，在2017年的時候，“墨子號”首次實現了千公里量級的星地雙向量子糾纏分發，當時地面兩個接收望遠鏡分別分布在青海的德令哈和麗江南山。在這之後，我們又跟相關單位合作，對地面望遠鏡系統進行了相應改造，比如對望遠鏡主鏡拆裝鍍膜，來加強它對光源的收集效率。改造完畢後，地面站的系統接收效率提升了3dB，系統每秒中能夠接收到的糾纏光子對比2017年提高了4倍。這樣我們就有了足夠的光源接收率，可以一邊來做糾纏是不是存在的檢驗，另一邊可以用一些糾纏光子來產生密鑰。
最終的實驗結果中，我們能夠達到每秒鐘分發2對光子。我們還運用了一個Bell不等式，如果不等式的值大於2，我們就知道有糾纏，這就意味著傳輸過程中或者說在衛星上的竊聽者都沒有看過信息。這樣的話，我們就保證了每秒鐘大概能夠分發0.1個密鑰。當然這離實際應用還是有一定距離，但是這個結果相對光纖的鏈路分發1對密鑰大概需要1萬年來說，已經有了大幅度的提高，也就是說這已經是把遠距離安全量子通信的一種理想逐步變成了一個現實的東西了。
在科學原理上實現從0到1的飛躍
記者：您對拓展量子通信的傳輸距離介紹得很通俗翔實，再請您總結概括一下您和團隊的這項最新實驗有哪些主要成果？
潘建偉：主要成果有兩個方面。第一個就是我剛才介紹的，我們在不需要任何中繼的情況下，把量子密鑰分發的實際距離從之前的100公里突破到了1,120公里。
第二個，也是更加重要的是，即使衛星是由別人製造的，是不可信的，在衛星被他方控制的情況下，只要結合我們目前最新發展的量子糾纏技術，也能夠提供安全的通信。這是一項具有實用價值的技術。
總之，在中國科學院A類戰略性先導科技專項“空間科學”的支持之下，目前“墨子號”衛星已經完成了5項主要成果，其中兩項在《科學》雜誌發表，三項在《自然》雜誌發表。接下來我們還會有一個比較好的研究成果，也希望能夠在今年發表出來。
記者：這些成果對於未來的量子通信發展有什麼意義呢？
潘建偉：結合我們最新發展的量子糾纏技術，未來密鑰成碼率將最終提高到每秒幾十對，如果結合經典對稱加密技術，就可以達到10Gbps以上的通信速率，可以滿足一些機要部門的應用需求。按照我們量子密碼方案的提出者之一G.Brassard所講，“這將最終實現所有密碼學者千年來的夢想”。
另外，我們正在基於該項研究成果發展高效星地鏈路收集技術。這項技術可以將量子衛星載荷的重量由現有的500公斤降低到30公斤，同時可將地面接收系統的重量由現有的10餘噸大幅降低到100公斤左右，從而實現接收系統的小型化、可搬運。這將大幅度降低量子衛星的研製和發射成本，為將來量子通信的規模和商業化應用奠定堅實的基礎。
記者：那麼要讓遠距離安全量子通信能夠真正開展實際應用的話，還需要在哪方面突破？
潘建偉：這個實驗本身還是一個原理性的科學實驗，它只是在科學的原理上實現了從0到1的飛躍，現在還不能馬上就對它有很大的實用期望。這個實驗現在每秒只能生成0.12對密鑰，每軌只能傳送幾十個密鑰，所以暫時還沒有實用價值。
我們希望能夠繼續跟中科院王建宇院士的團隊和國內的其他團隊合作，通過未來比如中高軌衛星或者遠距離的糾纏分發，使其一軌就能分發幾萬個密鑰。有了幾萬個密鑰之後，它就有初步的實用價值了。我預計這還得經過6、7年左右的努力。
墨子號通訊衛星及光學地面站示意圖（墨子號團隊供圖）
對基礎科學的國際合作持開放態度
記者：我們了解到，這一次的實驗項目有新加坡方面的參與。請問有沒有香港科研團隊的參與呢？
潘建偉：我們這個方案有一位Artur Ekert教授參與，他既是新加坡國立大學量子技術中心主任，同時也是牛津大學的教授。Artur Ekert教授其實是我們這個實驗理論方案的提出者，他在1991年就提出來了。1996年，我在因斯布魯克認識了他。當時別人問他，“在你這輩子活著的時候，有沒有希望能夠看到你這個方案實現？”他自己都不認為在有生之年能夠看到自己提出的方案實現，可沒想到2017年，當我們做完量子糾纏分發實驗之後，他就特別積極，勸我們一定要做這個實驗，這相當於他自己的科研成就也功德圓滿了的感覺。
你問有沒有香港方面的參與，我們其實有好多工作，都跟香港的同事有很積極的合作。比如跟香港大學、香港中文大學、香港科技大學，都有一些相關的合作。
最近我們有一篇發表在《現代物理評論》上的綜述性文章，就是跟香港大學羅開廣教授合作的。他是加拿大的一名華裔科學家，我很早就建議香港一定要把他引回來，結果最近他確實被香港引才回來了。
記者：您和團隊就下一步量子通信技術研究在國際合作方面的態度是怎樣的？
潘建偉：我們的態度一直是堅持基礎研究沒有國界，我們跟國際學術界共享的那些內容其實從主體上講都是屬於基礎研究範疇。因為比如我們這個東西做成了、指標達到了多少，但別人也不知道怎樣才能做出來，所以基礎研究的成果能夠國際化最好。
因為最近國際形勢也是比較微妙，所以我們要合作確實也變得相應有些困難，但是我認為基礎科學應該是全球化的。美國的科學家有一句話叫“科學為鷹，政治為鵝”，意思是政治家都是比較蠢的，但科學家是智慧的。
對於那些不涉及到專利、知識產權的科學成果，我們都是非常開放的。這也是為什麼我們跟奧地利有合作，甚至我們“墨子號”衛星也願意跟美國的地面接收站進行對接。中國對待基礎科學的國際合作還是秉持非常開放的態度。
（注：本文根據6月15日潘建偉院士在中科院“量子號”實現基於糾纏的無中繼千公里量子保密通信成果介紹會上的發言及答問內容整理）
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