6月15日，英國《自然》雜志在線發(fā)表了一篇題為“基于糾纏的千公里級安全量子加密”的研究論文，潘建偉團隊聯(lián)合牛津大學(xué)教授Artur Ekert，中科院院士、中科院上海技術(shù)物理研究所研究員王建宇團隊，中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，中科院光電技術(shù)研究所等相關(guān)團隊，利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在國際上首次實現(xiàn)了基于糾纏的千公里級量子密鑰分發(fā)。

該實驗成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數(shù)量級，并且通過物理原理，確保了即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下，依然能實現(xiàn)安全的量子通信，實現(xiàn)了量子通信向現(xiàn)實應(yīng)用的重要突破。

通過國際學(xué)術(shù)界30余年的努力，目前現(xiàn)場點對點光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達到了百公里量級，而實驗室里則能達到500公里。

可要想進行更長距離的量子通信，就只能用“信息驛站”了。利用可信的中繼，人們可以有效地拓展量子通信的距離。

2017年，“墨子號”圓滿實現(xiàn)了既定的三大科學(xué)目標——千公里級的量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)及量子隱形傳態(tài)后，按說可以“光榮退休”了，可潘建偉總覺得，這顆先進的科學(xué)衛(wèi)星，還能做更多的事。

在潘建偉的構(gòu)想中，利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術(shù)條件下實現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。

2017年，“墨子號”首次實現(xiàn)千公里量級的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實現(xiàn)基于糾纏的遠距離量子密鑰分發(fā)，就成了國際學(xué)術(shù)界熱切期盼的目標。

從理論上說，基于糾纏的量子密鑰分發(fā)的原理是無論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠，只要測量了其中一個粒子的狀態(tài)，另一個粒子的狀態(tài)也會相應(yīng)確定，這樣，在遙遠兩地的用戶之間，就會產(chǎn)生密鑰。

由于對粒子的測量局域地發(fā)生在用戶端，糾纏源并不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源由不可信的他方提供，只要用戶間能夠檢測到量子糾纏，就仍然可以產(chǎn)生安全的密鑰。

不過，想讓天上的衛(wèi)星干更多活，科學(xué)家需要在地面上做許多準備?；谇捌诘膶嶒灩ぷ骱图夹g(shù)積累，研究團隊通過對地面望遠鏡主光學(xué)和后光路進行升級，實現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。

“墨子號”衛(wèi)星過境時，同時與相隔1120公里的新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路，以每秒兩對光子的速度在兩個站之間建立起了量子糾纏，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。

《自然》雜志審稿人評論稱，該工作“展示了一項開創(chuàng)性實驗的結(jié)果，這是朝向構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步，我的確認為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實驗實現(xiàn)是一個里程碑”。

◎ 來源|中國科學(xué)報