中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里量子保密通信

中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里量子保密通信

出品 | 科普中國制作 | 墨子沙龍作者 | 王佳 白澤

編者按：
6月15日下午，中科院舉辦線上新聞發(fā)布會，會上，潘建偉院士介紹了“墨子號”取得的最新重大進(jìn)展——實(shí)現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里量子保密通信。本次成果將無中繼量子保密通信的安全距離從之前的百公里級提升到千公里級，而且特別重要的是，通過物理原理確保了通信即便在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下仍然安全。相關(guān)研究論文于當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月15日在線發(fā)表于《自然》雜志，團(tuán)隊(duì)將此作為獻(xiàn)給中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)南遷五十周年的禮物。論文合作者王建宇院士、印娟教授也參與了此次發(fā)布會。參與發(fā)布會的還有人民日報(bào)、解放日報(bào)、新華社、中央廣播電視臺、澎湃新聞、科技時(shí)報(bào)等10余家新聞媒體，以及論文出版方Springer Nature集團(tuán)的工作人員。
密碼，一個(gè)古老而神秘的詞語。早在公元前7世紀(jì)，古希臘的斯巴達(dá)人就已經(jīng)懂得了加密技術(shù)，并將其用于通信。圍繞著信息而產(chǎn)生的破譯密碼與編制密碼，成為了竊聽者與反竊聽者持續(xù)千年的較量，密碼學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。

密碼棒 （圖片來源：維基百科）

而現(xiàn)代社會，密碼早已進(jìn)入人類生活的每一個(gè)角落。無論是金融交易、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、日常通信，都離不開密碼。如何實(shí)現(xiàn)信息的安全共享？是否有絕對安全的通信體系？這是密碼學(xué)者們追逐千年的圣杯，而近日的一項(xiàng)工作，讓密碼學(xué)界見到了圣杯的曙光。

最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合牛津大學(xué)Artur Ekert、中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇團(tuán)隊(duì)、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊(duì)，利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，采用基于糾纏的QKD協(xié)議，國際上首次實(shí)現(xiàn)無中繼千公里級的量子保密通信，將地面上絕對安全通信的距離提升了一個(gè)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(shí)現(xiàn)安全的量子通信。題為“基于糾纏的千公里級安全量子加密（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）”的研究論文于2020年6月15日在線發(fā)表在《自然》雜志上。

那么，這項(xiàng)工作和之前“墨子號”的工作有何不同？實(shí)現(xiàn)了哪些前沿性的進(jìn)展呢？且聽小墨一一道來。

QKD協(xié)議進(jìn)化史

關(guān)于QKD（量子密鑰分發(fā)Quantum Key Distribution）以及最早的QKD協(xié)議——BB84協(xié)議，“墨子沙龍”之前已經(jīng)做過多次介紹，這里不再贅言，想了解的讀者可以閱讀：“趣味科普|從RSA算法到BB84協(xié)議，了解密鑰分發(fā)的奧秘！”，“量子密鑰分發(fā)：從BB84到TF-QKD”。

簡而言之，量子力學(xué)的基本原理可以保證通信的安全性。比如，根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理，任何測量的竊聽行為都必然導(dǎo)致系統(tǒng)擾動，從而被發(fā)現(xiàn)。量子密鑰分發(fā)就是一種利用量子系統(tǒng)作為信息載體進(jìn)行傳輸，進(jìn)而提取共享安全密鑰的保密通信方式。

1984年，美國物理學(xué)家Charles H.Bennett和加拿大密碼學(xué)家Gilles Brassard提出了BB84協(xié)議，這個(gè)協(xié)議最大的特點(diǎn)就是利用單光子產(chǎn)生密碼。

在BB84協(xié)議提出7年之后， Artur Ekert另辟蹊徑，意識到可以利用糾纏實(shí)現(xiàn)密鑰的安全分發(fā)，提出了第一個(gè)基于糾纏的QKD協(xié)議——E91協(xié)議。

1991年，Ekert提出了一個(gè)相對獨(dú)立的量子密鑰分發(fā)方案。在E91協(xié)議中，第三方Charlie制備糾纏的光子對，然后把兩個(gè)光子分別發(fā)送給Alice和Bob。如果沒有竊聽者，兩人使用相同的“測量基矢”進(jìn)行測量，就能得到相同的隨機(jī)二進(jìn)制序列，便實(shí)現(xiàn)了密鑰的共享。

而因?yàn)锳lice和Bob分別持有糾纏對中的一個(gè)光子，所以當(dāng)他們以多種方式進(jìn)行測量，他們的測量結(jié)果之間會具有某種關(guān)聯(lián)性。John Bell指出，量子理論與任何經(jīng)典性理論對這一關(guān)聯(lián)有不同的預(yù)測：對于體現(xiàn)關(guān)聯(lián)性的某個(gè)函數(shù)S，量子理論預(yù)測；而對于經(jīng)典理論S