世界首颗量子通信实验卫星完成目标；世界首条量子保密通信 “京沪干线” 开通；世界首次洲际量子通信…… 在过去一年里，中国科学技术大学潘建伟团队带领 “中国队” 迅速走到了量子通信的前沿领域。
1 月 19 日，中国科学技术大学披露了首次洲际量子通信的更多技术细节。国际权威学术期刊《物理评论快报》以封面论文的形式，介绍了去年９月中国与奥地利科学家借助 “墨子号” 卫星成功实施的世界首次量子保密的洲际视频通话。通过 “墨子号” 的中继，相距 7600 公里的中国和奥地利完成量子保密通信。
北京向维也纳发送了一张大小 5.34kB 的 “墨子号” 照片，而维也纳则向北京发送了一张大小 4.9kB 的薛定谔照片，通过一段 80kbit 的量子密钥进行一次一密加密（即 1 比特信息用 1 比特密钥加密）。
这次量子保密通信与潘建伟的博士导师、奥利地科学院 Anton Zeilinger 教授合作完成。“墨子号” 向北京附近的兴隆地面站和维也纳附近的格拉茨（Graz）地面站进行了量子密钥分发，与两个地面站间各自产生一段密钥。接着，按照地面指令，“墨子号” 给两段密钥进行逐位异或运算，将结果发送给其中一个地面站，由此，中欧两个距离长达 7600 公里的位点之间建立了密码。
此外，中国科学院还与奥地利科学院进行了洲际量子保密视频会议，采用 128 位高级加密标准（每秒刷新 128 位种子密钥表）。中奥双方用 560kbit 密钥支持了 75 分钟的视频会议，共传输约 2GB 数据。
传统的公钥密码系统依赖特定数学函数的计算难度，但理论上都可以被破解。相反，量子密钥分发是迄今唯一被严格证明无条件安全的加密方式。通信者用量子叠加态对信息进行加密，而基于量子不可复制原理，任何窃听行为都会对整个通信系统造成干扰。
经过十多年的实验探索，潘建伟团队将量子纠缠分发距离从十几公里拓展到 404 公里，实现了世界上最远距离的点到点光纤密钥分发，可以满足城际量子通信的需求。
不过，光纤或地面自由空间传输的损耗较大，量子通信距离仅限于数百公里。为了实现地球上任意两点间的量子通信，利用 “天地链路” 是个可行的方案。光子在地面与卫星间传输时，经过的距离绝大多数是真空，产生的损耗和退相干程度可以忽略不计。
潘建伟团队在 2016 年 8 月将世界首颗量子通信实验卫星 “墨子号” 送上 500 公里高的近地轨道。与 “墨子号” 进行合作实验的 5 个地面站也相继落成，分别位于河北兴隆、新疆南山、青海德令哈、云南丽江和西藏阿里。
2017 年，潘建伟团队宣布 “墨子号” 在一年时间内圆满完成三大科学目标：超过 1200 公里的星地诱骗态量子密钥分发；距离 1200 公里的星地量子纠缠分发和贝尔态测量；地星量子隐形传态。
这三个突破性的实验是搭建全球量子通信网络的基石。结果证实，针对 1200 公里的量子密钥分发，卫星链路效率比光纤高出了 20 多个数量级。
如今，地面 “京沪干线” 和天上的 “墨子号” 星地链路已经进行了整合。2017 年 9 月底，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通，全长 2000 公里，贯穿济南和合肥。而兴隆地面站通过光纤接入了北京的多个量子通信网点。政府机构、银行和保险公司正通过实际应用测试量子通信骨干网络。
原文发布时间为：2018-01-21
本文作者：虞涵棋
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