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卫星被劫也不会泄密,这项量子通信研究为什么重要?

关键词:卫星被劫也不会泄密,这项量子通信研究为什么

日期:2020-07-23文章来源:互联网
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获得《自然》杂志审稿人上述赞誉的,是 2020 年 6 月 15 日发表的一篇论文——《基于纠缠的 1120 公里安全量子加密》(Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres)。

该论文展示了:没有用地面中继器情况下,借助“墨子号”量子科学实验卫星,在相隔 1120 公里的两个地面站之间,成功实现基于纠缠的量子密钥分发。此外,论文结果还显示,即使在卫星被他方控制的极端情况下,通过物理原理依然能实现安全量子通信。

“墨子号”是中国乃至世界首颗量子科学实验卫星,在 2011 年正式立项,于 2016 年 8 月由长征二号丁火箭发射升空,其目的是实现覆盖全球的广域量子保密通信。

先要说明的是,“量子” 这一概念,并不特指某一种具体粒子。光子、电子或原子等微观粒子都是量子范畴。

量子通信因其信息保密性,被视为加密传输消息的利器。理论上,量子信息传输瞬时完成,是不可破解的。

但实现层面上,为了交换加密消息,量子通信需要使用光子分布密钥(加密和解密密文的“钥匙”)。这个过程被称之为“量子密钥分发”(Quantum Key Distribution,简称 QKD)。

由于随着传输距离变长,光子损耗会迅速增加,因此在实际应用中,两个用户之间的量子密钥分发距离,被限制为大约 100 公里。

要延长距离并且避免光子损耗,得加入中继器。但只要涉及中继节点,就会有被他方控制的风险。

比如,世界首条量子保密通信“京沪干线”,虽然提供了 2000 公里的光纤量子网络,但有 32 个中继节点,每个节点安全都需要人为保障。

2018 年 1 月,在自由空间信道,中国和奥地利利用 “墨子号” ,实现了洲际量子密钥分发,距离达 7600 公里。但如果采用这种方法,“墨子号”卫星掌握着用户分发的全部密钥,如果卫星被他方控制,就存在信息泄漏的风险。

利用量子的纠缠特性,成为解决这种风险的一副良方。量子纠缠是指,两个或多个粒子相互依存的状态,即使它们相隔数光年之远。处于纠缠状态的粒子,无论相隔多远,只要测量了其中一个粒子的状态,另一个粒子状态也会相应确定。

从物理原理上说,由于对量子的测量,发生在地面站用户端,纠缠源(卫星)不掌握密钥任何信息,即使卫星被他方劫持了,密钥也不会泄漏。但在该论文发表前,基于卫星纠缠的分发,不仅效率低下,而且错误率高,不足以支持量子密钥分发。

因此,如何在保证安全的情况下,实现基于纠缠的远距离量子密钥分发,成为量子通信商业化、实用化的关键。

至此,我们可以总结一下量子密钥分发过去的技术局限:如果没有地面中继器,那么两个地面站(用户)之间的量子密钥分发,最远只能到 100 公里。如果借助量子通信卫星,会有被劫持风险,因此需要借助量子的纠缠特性,但纠缠分发的效率又不够高。

再对比上述论文成果,就能明白其意义: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。即使别人劫持了卫星,也没办法获取加密的信息。

该论文作者之一,是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟及其团队。他同时是 “墨子号” 项目和 “京沪干线” 项目的首席科学家。论文其他作者还包括:牛津大学 Artur Ekert、中科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。

研究团队进行实验的两个站点,分别是新疆乌鲁木齐南山站,和青海德令哈站,相距 1120 公里。研究人员在两个站点处,设立了接受量子信号的望远镜。

当“墨子号”卫星经过站台时,与两个地面站的望远镜就建立光链路,以每秒 2 对量子的速度,在两个站之间建立量子纠缠,进而产生密钥。

地面站的望远镜经过特殊设计,主光学和后光路都有升级,解决了上文所说的,卫星纠缠分发效率低的问题。据论文实验结果,单边望远镜有双倍接收效率提升,双边则有四倍提升。

潘建伟担任主任的量子物理与量子信息研究部表示,基于该成果发展起来的高效星地链路收集技术,可以将量子卫星载荷重量,由现有几百公斤降低到几十公斤以下。

同时,能将地面接收系统重量,由现有 10 余吨降低到 100 公斤左右,实现接收系统小型化、可搬运,为将来卫星量子通信规模化、商业化应用奠定了坚实基础。