中国领跑 量子技术突破天空限制

星地量子密钥分发实验，2017年5月拍摄于乌鲁木齐南山。多张照片合成了卫星过境的全貌，背景是恒星的星轨。中科院供图

地星量子隐形传态实验，2017年4月拍摄于西藏阿里。中科院供图

还有6天，距离全球第一颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空就要满一整年了。8月10日，这颗卫星的首席科学家、中国科学技术大学潘建伟院士领导的中科院联合研究团队向外界又公布了一项重大成果——“墨子号”在国际上第一次成功实现了“千公里级”的星地双向量子通信。

《自然》杂志的物理科学主编卡尔·齐姆勒斯感慨“这是十分令人激动的消息（very exciting stuff）”，并给出评价：“以前人们会说量子技术的极限在天边，但这说法其实有些保守了。”潘建伟团队这些实验中，量子技术就已经突破“天空的限制（gone beyond the sky）”，并将应用型量子通信技术方面的研究提升到如此的“天文高度（astronomical height）”。

一个多月前，潘建伟团队在国际上率先实现“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，并将成果发表在6月16日的《科学》杂志上，完成了“墨子号”一项科学任务即“星地双向量子纠缠分发”；如今则将另外两项任务一并完成：高速星地量子密钥分发和地星量子隐形传态，相关成果已在线发表在8月10日的《自然》杂志上。

至此，属于中国的“墨子号”量子卫星，已提前完成预先设定的三大科学目标。在8月4日的媒体见面会上，中国科学院院长白春礼对中国青年报·中青在线等媒体表示，“（‘墨子号’量子卫星）系列成果赢得了巨大国际声誉，标志着我国量子通信领域的研究在国际上达到‘全面领先’的优势地位。”

关乎“无条件安全通信方式”的实验：投稿最早，发表最晚

千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增——

1999年，传统加密算法RSA512被破解；2009年，RSA768被破解；“尚未被破解”的RSA1024，也被认为“被破解是早晚的事”。至于所谓下一代标准密码“配对密码”，则在2012年就已经被破解。2017年2月，谷歌破解了广泛应用于文件数字证书中的SHA-1算法。以至于有人说，“人们怀疑，以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码”。

然而，量子力学100多年的发展，却给人类带来另一种可能。

潘建伟说，与经典通信不同，量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户，可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——这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。

这其中一个重要的研究内容，就是量子密钥分发。

按照潘建伟的说法，这个名为“量子密钥分发”的实验，关乎量子保密通信网络的“可行性”，关乎所谓“绝对通信安全”的未来，因此其结果包括其过程中的一些数据，都备受科学家关注。

在接受中国青年报·中青在线等媒体采访时，潘建伟透露，“量子密钥分发”这个成果的投稿时间，要比“星地双向量子纠缠分发”这个成果早两周左右，但最终发表的时间，却晚了将近两个月——后者是6月16日，前者是8月10日。

“大家对这个实验太关注了，《自然》杂志不断要求我们提供相关实验细节和数据，来让其他同行将来能够重复、验证我们的实验结果，我们只好不断地往外‘掏’实验数据。”潘建伟说。

千公里级密钥分发：通信速率比传统技术提升万亿亿倍

不过，文章最终通过了《自然》杂志审稿人的“把关”，并得以发表。

《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是 “令人钦佩的成就（impressive achievement）”和“本领域的一个里程碑（it constitutes a milestone in the field）”，并称“毫无疑问将引来量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣，并导致公众媒体极为广泛的报道”。

所谓密钥分发实验，要以量子力学一些“原理”的成立为前提。比如，“量子不可克隆定理、量子不可分割”，使得“存在窃听必然被发现”，而量子的“一次一密，完全随机”，又让“加密内容不可破译”成为现实。

卡尔·齐姆勒斯也提到，量子密钥是保障通信极高保密性的关键。他说：“在没有密钥的情况下，是无法读到这些通信的，如果有他人窃听了你的密钥，量子力学的原理保证了你一定会知道，从而你通信的安全性又上了一层楼。”

如今，这种量子密钥分发的设想，在更远的距离即千公里级完成了实验。

具体来看，量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收的方式，“墨子号”量子卫星过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。

根据“墨子号”实验结果，在1200公里通信距离上，卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1kbps。