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科普文章

一颗卫星,两个奇迹 ——“墨子号”量子卫星成功实现星地量子密钥分发和地星量子隐形传态
发布时间:2017-08-10    2353   作者 | 林梅

继6月16日“墨子号”量子科学实验卫星实现星地量子纠缠分发的论文以封面文章的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志后,8月份“墨子号”再传佳讯——中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空间科学中心等,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,利用“墨子号”量子卫星在国际上首次成功实现星地量子密钥分发和地星量子隐形传态。自此,量子卫星三大科学目标圆满完成,这代表我国向着覆盖全球的广域量子通信网络迈出了里程碑式的一步,并为空间尺度检验量子物理基本问题奠定了坚实的科学与技术基础。


两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。实际上,这两项任务在实际应用中互为补充——量子密钥分发通过量子加密的方式安全地传递经典信息,而量子隐形传态则可以传递那些必须用量子态描述的信息,这两者共同构成了量子通信的两个方面。

量子密钥分发(QKD)


通信的安全性是人类的基本需求。传统的公钥密码学之所以难以破解,通常依赖于某些数学问题的复杂度,而并非绝对安全。相比之下,量子密钥分发通过量子态的传输,在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥,利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密,它的安全性由量子原理保障,是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。


图1 星地量子密钥分发实验示意图


自从1989年,在32厘米的量子通道实验中第一次实现QKD,人类一直努力希望实现更长的安全传输距离,最终能在全球范围实现实用化。


而传统的最直接的方法是通过光纤或者近地面自由空间传输。但是,由于这两种信道不可避免的损耗、以及单光子量子信息不能像经典通信那样被放大,数百公里量级的量子密钥分发已是极限。


根据数据测算,通过1200公里的光纤,即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器,也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。为了实现安全、长距离、可实用化的量子通信,人们想到将卫星与地面链接,利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点,可以大大扩展量子通信距离。


事实上,利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案早在2003年就已提出,随之而来的是各种科学和技术上的验证。2004年,潘建伟团队的一场地面实验演示了自由空间双向量子纠缠分发,在水平距离13公里(大于大气层垂直有效厚度)外,纠缠可以保持,验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年和2013年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了又分别实现了首个百公里级的双向量子纠缠分发,以及模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验,全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。这些验证性的实验以及各种技术难关上的突破,保证了 “墨子号”卫星发射升空后可以顺利开展科学实验。


本次 “墨子号”量子卫星任务之一就是星地高速量子密钥分发——卫星发射量子信号,地面接收,即“下行链路”。实验采取的是三强度的诱骗态量子密钥分发协议,“墨子号”量子卫星过境时,与兴隆地面光学站建立光链路,随着卫星划过地面站上空,通信距离在645公里到1200公里之间变化。科学家在不同天气状况的23天里进行实验,结果表明,卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次单轨实验可生成300kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1kbps,误码率为1%~3%。值得一提的是,在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍),据估算,如果采用1200公里长的光纤,即使在最完美的条件下,想得到一个比特,也要等600万年。



图 2 “墨子号”-兴隆地面站量子密钥分发实验现场图


这一实验的成功为后续构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。在此基础上,可以将卫星作为可信中继,让卫星存储着量子密钥,随着它的飞行,实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范围扩展到全球;此外,为了增加覆盖范围,人们计划在更高的轨道上发射多颗卫星,高低轨卫星配合,建造一个卫星星座,将基于卫星的QKD通过地面站连接到城际光纤量子保密通信网,进而构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。


量子隐形传态(quantum teleportation)


量子通信的另一重要内容是量子隐形传态。在量子信息处理网络中,有些物质的信息(例如原子、分子、电子这类微观粒子信息或者量子计算中间过程产生的寄存器量子比特状态等)是不能用经典方式描述、测量和传递的,而量子隐形传态,就是利用量子纠缠,将任意未知量子态从一个发送者(Alice)传输到一个空间遥远的接收器(Bob),而不需要实际传输对象本身。


1993年,Bennett等人提出了“量子隐形传态(quantum teleportation)”。四年后,奥地利Anton Zeilinger小组第一次在实验上实现了量子隐形传态。


与量子密钥分发一样,既然是量子通信的重要内容,中国的团队也希望能将这一神秘的传输推广到更远距离,为人类的广域量子通信服务。随着2003年利用卫星实现远距离量子通信方案的提出,潘建伟和彭承志等人在国际上首次实验了水平距离13公里(大气层垂直厚度约为5-10公里)的自由空间双向量子纠缠分发,为量子隐形传态打下了基础。2010年,该团队在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。2012年,潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里级的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2015年,潘建伟团队首次实现了单个光子的多个自由度的量子隐形传态。



图3  量子隐形传态实验示意图


本次地星量子隐形传态是“墨子号”量子卫星的另一大科学任务,也是人类第一次在空间尺度上开展量子隐形传态实验。实验中采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式,即“上行”链路。


“墨子号”量子卫星过境时,与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例,地面向卫星发射纠缠光子,实验通信距离从500公里到1400公里,共采集到911个隐形传态事例,所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限,这明确显示了量子隐形传态的实现。据估计,若要在同样长度的光纤中重复这一工作,由于不可避免存在损耗,需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)才能观测到1个事例。


图4 “墨子号”-阿里地面站量子隐形传态实验现场图


从科学的角度说,空间尺度量子隐形传态的实现为空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础,从应用的角度说,量子计算产生的量子比特状态传播离不开量子隐形传态,所以对于未来的全量子网络设想,大尺度下的量子隐形传态实现是一个巨大的进步。


星地量子密钥分发通过下行链路实现了经典信息的安全传输,而地星量子隐形传态通过上行链路实现了量子信息的可靠传送。两者互为补充,第一次在空间和地面之间进行双向量子连接,为未来实际应用的空间尺度量子通信网络打下坚实的基础。


自此, “墨子号”量子卫星全部三大既定科学目标已全部实现,可以说,不论在空间尺度量子物理基本问题检验上,还是在覆盖全球的量子通信技术发展上,我国都走在了世界的前沿。