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“墨子号”实现千公里无中继量子通信

图片说明:“墨子号”实现千公里无中继量子通信,。

量子是构成物质的最基本单元,不可分割。量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式,但需要解决两大挑战,分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。通过国际学术界30余年的努力,目前现场点对点光纤量子密钥分发的安全距离达到百公里量级。在现有技术水平下,使用可信中继可以有效拓展量子通信的距离,比如世界首条量子保密通信京沪干线通过32个中继节点,贯通全长2000公里的城际光纤量子网络;而利用量子科学实验卫星“墨子号”作为中继,在自由空间信道进一步拓展到7600公里的洲际距离。然而,中继节点的安全仍然需要人为保障。例如,在星地量子密钥分发过程中,量子卫星作为可信中继,掌握着用户分发的全部密钥,但如果卫星被他方控制,就存在信息泄露风险。实现远距离安全量子通信的最佳解决方案是基于纠缠的量子密钥分发。量子纠缠,由量子叠加原理引申出来。如果把量子叠加原理用于多个量子的情况就是量子纠缠,它是两个(或多个)粒子共同组成的量子状态。无论处于纠缠状态的粒子之间相隔多远,只要测量了其中一个粒子的状态,另一个粒子的状态也会相应确定,这一特性可以用来在遥远两地的用户间直接产生密钥,而不需要可信中继来中转。由于对粒子的测量局域地发生在用户端,纠缠源不掌握密钥的任何信息,即使纠缠源(例如卫星)由不可信的他方控制,只要用户间检测到量子纠缠,就可以产生安全的密钥。这进一步提高了量子通信的现实安全性。“墨子号”2017年首次实现千公里级星地量子纠缠分发后,实现远距离量子密钥分发就成为国际学术界热切期盼的目标。研究团队通过对地面望远镜主光学和后光路进行升级,实现了单边双倍、双边四倍接收效率的提升。“墨子号”同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路,以每秒2对的速度在超过1120公里的两站之间建立量子纠缠,进而以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。潘建伟介绍,基于该研究成果发展起来的高效星地链路收集技术,可将量子卫星载荷重量由现有的几百公斤降至几十公斤以下,同时将地面接收系统的重量由现有的10余吨大幅降低到100公斤左右,实现接收系统的小型化、可搬运,为将来量子通信的规模化、商业化应用奠定基础。“这一科学实验虽然实现了从0到1的飞跃,但由于每秒只能传0.12比特的密钥,暂时还没有实用价值。随着量子纠缠源技术的发展,未来卫星上可每秒产生10亿个纠缠光子,最终密钥成码率将提高到每秒几十比特。”(文章来源:解放日报)

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