“墨子号”再获新突破：实现无中继千公里量子保密通信

潘建伟院士团队最新科研突破的实验示意图。（研究团队 供图） 研究团队 供图 摄

继实现实验室内500公里点对点光纤量子密钥安全分发、依托可信中继站点建成约2000公里光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”、以量子卫星作为可信中继实现约7600公里洲际量子保密通信之后，中国科学技术大学潘建伟院士团队再次获得新的科研突破——利用全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里级量子保密通信。

潘建伟院士及同事彭承志、印娟教授等组成的研究团队，联合英国牛津大学阿图·埃卡特（Artur Ekert）和中国科学院上海技术物理研究所王建宇院士团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队，利用“墨子号”量子卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。这一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一个数量级，并确保即使在卫星被攻击、遭控制的极端情况下依然能实现安全的量子保密通信。

中国科学技术大学潘建伟院士通过视频连线，向媒体介绍最新量子通信的科研突破成果。 孙自法 摄

这一现实条件下实现安全、远距离量子保密通信的量子通信应用领域重大突破成果论文，于北京时间15日深夜在国际权威学术期刊《自然》在线发表。审稿人称赞该研究工作是“朝向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”，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实现是一个里程碑”，也正如量子密码提出者之一吉列斯·布拉萨德（Gilles Brassard）所言“这将最终实现所有密码学者千年来的梦想”。

论文发表前夕，中科院科学传播局、施普林格·自然集团15日下午联合举行该成果视频连线介绍会。潘建伟说，量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式，但要从实验室走向广泛应用，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，如世界首条量子保密通信京沪干线通过32个中继节点，贯通全长约2000公里的城际光纤量子网络；而利用“墨子号”量子卫星作为中继，在自由空间信道进一步拓展到7600公里的洲际距离。

潘建伟指出，尽管可信中继将传统通信方式中整条线路的安全风险限制在有限中继节点范围，但中继节点的安全仍需得到人为保障。实现远距离安全量子通信的最佳解决方案是结合量子中继和基于纠缠的量子密钥分发，原理上，利用量子中继可实现远距离的量子纠缠分发，但实用化的量子中继还需要较长时间，而利用卫星作为量子纠缠源，通过自由空间信道在遥远两地直接分发纠缠，为现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通信提供了可行的道路。

研究团队此次最新突破的科研成果，即基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作和技术积累，通过对地面望远镜主光学和后光路进行升级，实现单边双倍、双边四倍接收效率的提升。“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。实验中，科研人员通过对地面接收光路和单光子探测器等方面进行精心设计和防护，保证所生成密钥不依赖可信中继，并确保现实安全性。

潘建伟也坦言，这次发表论文的科研突破，目前只是科学上的原理演示，离实际应用还有较远距离。预期在六七年时间内，结合量子纠缠源技术和卫星技术的发展进步，未来通过卫星可每秒产生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，可以为基于纠缠的无中继远距离量子保密通信的规模化应用奠定基础。

他透露，基于这项最新突破所发展起来高效星地链路收集技术，可将量子卫星载荷重量由目前数百公斤降至几十公斤以下，并将地面接收系统重量由10余吨降至100公斤左右，实现接收系统的小型化、可搬运。这将大幅降低量子通信卫星研制和发射成本，为未来卫星量子通信的规模化、商业化应用奠定坚实基础。