“墨子號”量子密鑰分發(fā)示意圖(中科院供圖)

新華社北京8月10日電(記者 喻菲)中國“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上首次成功實現(xiàn)從衛(wèi)星到地面的高速量子密鑰分發(fā)，為建立最安全保密的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定可靠基礎(chǔ)。

“墨子號”的這一成果發(fā)表在10日出版的國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志上?！蹲匀弧冯s志的審稿人稱贊星地量子密鑰分發(fā)成果是“令人欽佩的成就”和“本領(lǐng)域的一個里程碑”。

量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士潘建偉說，“墨子號”量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，河北興隆與新疆南山地面站分別接收的方式，在北京和烏魯木齊之間建立了量子密鑰。

“墨子號”開展量子密鑰分發(fā)，2017年5月攝于烏魯木齊南山，多張照片合成了衛(wèi)星過境全貌。(中科院供圖)

據(jù)介紹，“墨子號”過境時與地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數(shù)量級(萬億億倍)。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗約10分鐘可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)每秒1.1kbit。

“墨子號”開展量子密鑰分發(fā)，2017年5月攝于河北興隆。(中科院供圖)

“這樣的密鑰發(fā)送效率可以滿足絕對安全的打電話或銀行傳輸大量數(shù)據(jù)的需求。”潘建偉說。

他說，這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)(如合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線)互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

絕對安全的保密通信

通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會生活的基本需求，也是當(dāng)代世界的難題。竊聽、反竊聽;加密、解密……這些密碼學(xué)中的矛與盾處于恒久的博弈之中。

保密通信的原理在于，唯有掌握密鑰，才能輕易重現(xiàn)傳遞的信息。信息的安全性主要依賴于密鑰的秘密性。然而，傳統(tǒng)加密技術(shù)在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。20世紀(jì)90年代，美國數(shù)學(xué)家肖爾證明量子計算可以攻破目前廣泛使用的公鑰體系。2015年11月，美國科技公司谷歌推出的D-Wave量子計算機(jī)，宣稱其在解決問題時能夠比其他任何計算機(jī)都快一億倍，并能破解任何現(xiàn)有密鑰體系。

“墨子號”開展量子密鑰分發(fā)(中科院供圖)

有沒有絕對安全的保密通信，讓竊聽、破譯者無計可施?所幸的是，量子物理提供了解決這一問題的辦法。如果量子計算機(jī)是針對傳統(tǒng)密碼的“利劍長矛”，那么量子密碼技術(shù)就是抵御它的“堅固盾牌”。量子密碼提供了一種不可竊聽、不可破譯的新一代密碼技術(shù)。

專家介紹，與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

潘建偉說，量子密鑰就是在A和B之間共同生成一串只有他們兩邊知道的隨機(jī)數(shù)，然后用這個隨機(jī)數(shù)來加密。量子密鑰一旦被截獲或者被測量，其自身狀態(tài)就會立刻發(fā)生改變。截獲量子密鑰的人只能得到無效信息，而信息的合法接收者則可以從量子態(tài)的改變中得知量子密鑰曾被截取過。將量子密鑰應(yīng)用于量子通信中，就是量子保密通信。與傳統(tǒng)通話方式相比，量子保密通信采用的是“一次一密”的工作機(jī)制，通話期間，密碼機(jī)每分每秒都在產(chǎn)生密碼，一旦通話結(jié)束，這串密碼就會立即失效，且下次通話不會重復(fù)使用。

潘建偉打了個比方，古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底，因為一旦有人試圖打開“信件”，量子密鑰會讓“信件”自毀，并讓使用者知曉。

從太空突破極限

他說，量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，單光子量子信息不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前的量子通信的局限在百公里量級。

2016年11月28日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星過境，科研人員在做實驗(合成照片)。 新華社記者 金立旺 攝

“根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也需要數(shù)百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標(biāo)。”潘建偉說。

他說，利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨(dú)特優(yōu)勢，是在全球尺度上實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。從本世紀(jì)初以來，該方向已成為了國際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點。

量子衛(wèi)星與新疆南山站建立鏈路時工作人員合影留念。(中科院提供)

潘建偉團(tuán)隊為實現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實驗研究。2003年，潘建偉團(tuán)隊提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案，隨后于2004年在國際上首次實現(xiàn)了水平距離13公里(大于大氣層垂直厚度)的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗證了穿過大氣層進(jìn)行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項。2012年，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖實現(xiàn)了首個百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗證了利用衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖實現(xiàn)了模擬星地相對運(yùn)動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實驗，全方位驗證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，該團(tuán)隊經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。“墨子號”于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實驗。

量子衛(wèi)星與興隆站建立鏈路。(中科院提供)

量子通信在國防、軍事、金融等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。有專家預(yù)測，量子通信技術(shù)可能在20至30年后對人類社會發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。量子通信因其傳輸高效和絕對安全等特點，被認(rèn)為是下一代通信和計算機(jī)技術(shù)的支撐性研究，也已成為全球物理學(xué)研究的前沿與焦點領(lǐng)域。