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1120(公)里!“墨子号”再创(佳)绩 安全通信重(要)一步

时间:2020-07-13 03:30:11   作者:Sanqian   浏览量:41617

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  1120(公)里!“墨子号”再创佳绩
   经(济)日(报)·(中)国经济(网)记(者) (沈) (慧)

  1120公里!(近)(日),“墨(子)号”量子科(学)实验卫星再立新功:科(学)(家)(们)利(用)“墨子号”作为量子纠(缠)源,向遥远的两地分发量子(纠)缠,在国(际)上首次实现了千公里级基(于)(纠)缠的量子密(钥)分发——为量子通信走(向)现实应用奠定了(重)要(基)础。

  近日,(科)学家们(利)用“墨子号”在国际(上)首次实现(了)千公里级基于纠缠(的)(量)子密钥分发。该实验成(果)不仅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),更重要的是,(通)过物理原理确保了即使在卫星被(他)方(控)制(的)极端情况下,依然(能)(够)实现安(全)的量(子)通信,(为)量子通信走(向)现实应用奠(定)了重要基(础)。

  该实验由中国科学技(术)大学潘建(伟)及其同(事),联合牛津大学阿图尔·埃(克)(特)、中国科学院上海(技)(术)物(理)研(究)(所)王(建)宇团队、微(小)卫(星)(创)(新)研究院、光电技术研究所等(相)(关)(团)队一起(完)成。该成(果)已于近日在线发表在国际顶级学(术)期刊《自然》杂(志)(上)。

  无条(件)安全(的)量子(通)信

  量(子)是构(成)(物)质(的)(最)基(本)(单)元,是能量(的)(基)本携(带)者,无法被分割(和)复制。对于(人)们来说,所有(大)家所熟知的分子、原(子)、电(子)、光子(等)(微)观(粒)子,都统称(为)量子。通常,光子被用(来)(制)备量子。

  所谓量子密钥(分)发,简(单)说,(即)(在)遥(远)两(地)(的)用户(间)(生)成并安全共(享)一组(量)子密钥,为(所)传(输)的二进(制)信(息)加密。这种量子(通)信方(式)之所以被科学(家)(们)寄予厚(望),是因为(除)了信息的发送、(接)收(方),(如)果有第(三)方试图复制或窃听(量)子密钥,则(通)信的双方便会立刻察觉。

  这一新(型)通信(方)式的(实)现,正(是)(基)(于)(量)子叠加和不可(复)制的特性。根据(经)典物理学,一(个)(客)(体),比如(猫),其状态只有两种,要么是(生),要么(是)死。但在量子世界中,这只猫却可(以)处(于)又生又死的叠(加)状态。不(过),(这)种叠加(态)极其(脆)弱,一旦有(人)(去)(测)量,其状(态)(又生(又)(死))马上就会(发)生改(变),而(不)(再)是原(来)的那(只)(猫)了。换(句)(话)(说),如果(有)人试(图)(窃)听量(子)密钥,需(要)事先测(量)(传)送密(钥)的(量)子状态,然而,脆(弱)的叠加态导致量子自身一旦(被)测量或者复(制),(就)会立刻改(变)原有状态,从(而)被(通)信双方(察)觉。

  “量子通信克(服)了经典加(密)技术(内)在的安(全)隐(患),因为其安全性不依(赖)于(计)(算)复杂度,(这)是在原理上无(条)件(安)全的一(种)(通)信(方)式,(一)(旦)存(在)窃听必然被发(现)。”潘建伟说。

  在潘建(伟)看来,量子密钥(分)发,就好比一(个)人想要传递秘密给另外一个人,需(要)把(存)放(秘)密的箱子与一把钥匙传(给)接收(方)。(接)(收)方只有(用)这把(钥)匙打开箱(子),才能(取)到秘(密)。没有这把钥(匙),别(人)无(法)打(开)箱子,(而)一旦这(把)钥匙(被)别人动过,传送者就(会)立(刻)发现——原有钥匙会(作)废,再给(一)把新的钥匙,直到确(保)接收方本人拿到。

  “量子技术,其(基)(本)(概)(念)就是(利)用(量)(子)物理定(律)操(纵)微(观)物(质),(比)(如)(原)子、分子和电(子),(从)而获得宏观物质(世)(界)无法实(现)的(功)能,其(中)的量子密(码)学正是这(篇)(论)文所涉及的关键。理论上,经(过)量(子)加密的通信是无法被窃听(的)。”(自)(然)集团副总裁杨(晓)虹(表)示。

  实际应用面临挑战

  理(想)(很)丰满,现实很(骨)感。(原)理上无条(件)(安)全的量子通(信),要从实验室走向广泛(应)用,仍面临两(大)挑战:一(是)(远)(距)(离)传输带来的(信)号(损)(耗);二是现实器件,如(光)(源)、探测器(等)(不)(完)美(带)来的安(全)性(漏)洞。因此,要在现(实)条件(下)实现(远)距离的量(子)(通)信,(并)非听起来那(么)简单。

  以信(号)损耗(为)例。科(学)(家)(们)一般使(用)(单)光子作为(物)理载体来传输密(钥),但因(为)(单)光子(信)号不能被(放)(大),再加(上)传(输)信道——(光)纤对单光子的(吸)收,随着传输距离的拉(长),(单)光子(信)号(损)(耗)(呈)(指)数增长。通过30余年(坚)持(不)懈的努(力),如今,(国)际学术界在实(验)室中将点对点(光)纤量子密钥分发的距离(提)(高)到了500公里。

  如何(实)(现)更远距离(的)(量)子通信?(使)用可信中继是(一)(个)行之有效的方法。(什)(么)(是)可信(中)继?潘建伟(认)(为)可以理(解)(为)“(接)力跑”:单(光)子在光纤中(从)a(地)要跑到b(地),可跑着跑着没力气了,(这)时就(可)以(设)置个值得(信)(赖)的(节)(点)让密钥“落地”一下,再(由)其他(光)(子)接着向前(跑)。比(如),利用“墨子号”作为中(继),中国科学(家)(在)自由空(间)信(道)实现(了)7600(公)里的(洲)际通信。

  “理论上(讲),只要没有人爬到卫星上(去)窃听,(那)么,我们的通信就(是)(安)全的。但(是),这些中继节点的安全(仍)(然)需要得到人为保(障)。”潘建伟举了个例子:如(果)人们使用卫星作(为)中继节(点),卫星就(掌)(握)着用户(分)发(的)全部密钥。如此一来,便(带)(来)了另外(一)(个)问题:(假)如这个(卫)星是别国制造的,就可能(会)存(在)信息泄露的风险。

  那(么),如何避免这一(可)能(存)在的潜在(风)险?2017年,“(墨)(子)号”首次实现千(公)里量(级)的自由空(间)(量)(子)纠缠分发,圆满完成了既定科学目标。此(时),潘建伟(萌)生了一个新(的)想法:发(射)(一)颗卫星花了不少(经)费,可不可以尝(试)一下(利)用“墨子(号)”作(为)量(子)(纠)缠源,(而)不是(量)子(密)钥的(中)(继)点,实现基于纠缠的远距离量子密钥分发?

  基于纠缠(的)量子(密)钥分发(的)原理是,无论处(于)纠(缠)状态的两(个)(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。“利用这一特性,(我)们可以(在)遥远(两)地的(用)户间直(接)(生)成并安全(共)(享)一组量子密钥,(为)所传输(的)二(进)制(信)息加密。”潘建伟表(示)。

  (实)现(安)全(通)信重(要)一(步)

  向着科学(的)高峰(努)力奔跑,基于“(墨)(子)号”量子(卫)星的前期(实)验(工)作(与)技术积累,研究(团)队通过对地面望远镜(主)光学(与)(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。

  有了(技)术的支撑,“墨(子)号”量子卫星过(境)时,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对光子的速度在(地)(面)(超)过1120公(里)的两个站之间建立量子(纠)缠,(进)而(在)(有)限码长下以每秒0.12(比)特(的)最终(码)速率产生密(钥)。

  “在(该)(实)验中,卫星作为量子纠缠源,只负责分发(量)子(纠)缠,不(掌)(握)量子密钥的(任)何信息;用户间的密钥是(通)(过)量子(纠)缠直接(产)生的,不再需要卫星的(中)转。”潘建伟说,(由)(于)对纠(缠)(粒)子(的)测量最(后)是由用户(端)来进(行),根据(量)子(纠)缠特性,(即)使纠缠源由不可信的他方提(供),(只)要用户间最终(检)测(到)量子纠缠,就(可)以(产)生(安)全的密钥。所(以),量子(通)信源端不(完)美带来的(安)全问题(可)以得到(完)全解决,(最)终确保(了)(量)(子)通信的现实安全性。

  (对)此,《自(然)》(杂)志(审)(稿)人称(赞)该工作,“(不)(依)赖可(信)(中)继的长距离(纠)缠量(子)密钥(分)(发)(协)议的实验实现是一个里(程)(碑)。”(潘)建伟(坦)言,刚发射“(墨)子号”卫星时,自(己)(也)不敢幻想能取(得)今天的成果,一路“边走(边)下蛋”,最终(有)了这(一)(重)要科(研)(突)破。“然而,这次科研成果目(前)只是科学上的原理演示,距离实际应用仍有很长的路要(走)。”潘建伟说。

  关于下一步的发展,(他)说,结合最(新)(发)展(的)量子纠(缠)源技术,未来卫星上可每秒产生10亿对纠(缠)光子,最终(密)钥(成)码(率)将(提)高到每秒几十比(特)或单次过境(几)万比特。届时,安全的量子通信的(梦)想将有望(照)进(现)实。

【编(辑):刘(羡)】

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