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1120公里!“墨子号”再创佳(绩) 安全通信重要一(步)

来源: 南方日报网络版     时间: 2020-08-05 01:51:22

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1120公里!“墨子号”再创佳(绩) 安全通信重要一(步)

  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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