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绝对安全的量子通信:潘建伟团队实现千公里星地量子密钥分发

2017-08-10 09:27:14 澎湃  虞涵棋

  北京时间8月10日凌晨,世界顶级学术期刊《自然》杂志登出了中国科学技术大学潘建伟团队的最新成果:他们借助量子科学卫星“墨子号”,成功向河北兴隆地面站分发了量子密钥,最远距离达到1200千米,平均误码率仅有1.1%。

潘建伟院士
潘建伟院士

  量子密钥分发(QKD)是一种理论上绝对安全、不可被窃听的加密方法,也是量子通信网络中最先可能商业化的部分。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。

  自1989年,科学家们首次实现距离32厘米的量子密钥分发以来,学界就在不断探索更远距离的实验。不过,传统的光纤传输损耗较大,而同样基于量子不可复制原理,量子信号无法像其他通信信号一样得到增强,这大大限制了量子密钥分发距离。潘建伟团队运用星地传输,显著降低光子的损耗率,使得相距1200千米的量子密钥分发成为现实。

  那么,这种信息加密方式,为什么在理论上是绝对安全的呢?这需要从一篇1984年发表的论文说起。

  bb84协议:绝对安全的量子通信

  1984年,当时任职于IBM研究中心的本内特(Charles H. Bennett)和当时就职于蒙特利尔大学的布拉萨尔(Gilles Brassard)在国际计算机、系统和信号处理大会上发表的一篇文章,奠定了首个量子加密协议。基于两位作者的姓氏首字母和发表年份,该协定也被人称为“bb84”协议。

  “bb84”协议构想了一种,在理论上绝对安全的密钥传输方法。现在,我们假设有一个信息发送者Alice,她想发送一串由1和0组成的二进制密钥给信息接受者Bob,同时,还存在一位潜在的窃密者Eve。

  在传统通信渠道中,窃密者Eve可以截获Alice传来的密钥,并复制给Bob。这样,Bob并不会察觉到密钥已经被人窃听了。

  而在量子通信渠道中,信息是编码在光子的偏振态上的。所谓的量子,是物理学中不可再分的基本单元,由德国物理学家普朗克在1900年首次提出。比如,光子就是量子性的,不存在“半个光子”的说法。

  现在,我们假设存在两台机器A和B,A机器可以产生垂直偏振(记为0)和水平偏振(记为1)的光子,B机器可以产生45度偏振(记为0)和135度偏振(记为1)的光子。如果按照A密码本去读A机器产生的光子,可以正确地读出0或者1,但是,如果按照B密码本去读A机器产生的光子,每个光子都会被随机读成0或者1,也就是说,和瞎猜的概率一样。

  值得一提的是,量子具有不可复制的性质。如果窃听者Eve截获了一个光子,由于他只能随机选择A密码本或者B密码本去读,Eve得到正确的数字的概率为75%,而他继续发送给Bob的光子也是如此。也就是说,Eve的窃听不被发现的概率是75%。

  这是单光子的情况。如果Alice发送的是10个光子,Eve不被发现的概率是5.6%;如果Alice发送的是100个光子,Eve不被发现的概率是十万亿分之三。

  Alice发送完光子串后,会通过经典通信渠道,比如打电话,与Bob核对部分光子。如果发现不存在被窃听的情况,在理论上说,Alice就可以继续向Bob分享剩下的光子的密码本,由Bob挑选出用对密码本的部分作为密钥。

  星地量子密钥分发

  这种可以防止黑客窃听的量子密钥分发,在国防、政府和商业通信领域很有潜力。去年11月份,潘建伟团队就利用地面光纤,实现了400公里的量子密钥分发。

  这次,潘建伟团队通过去年8月发射升空的量子科学卫星“墨子号”分发密钥,光子的损耗率几乎可以忽略不计。卫星上搭载了用于产生量子密钥的光学系统,由八个激光二极管(四个用于产生密钥信号,四个用于产生诱骗态,产生的光波长为850nm)、一个半波片、两个偏振分束器和一个分束器组成。

  “墨子号”处于太阳同步轨道上。每天的当地时间00:50分,墨子号进入河北兴隆地面站的视野范围内,持续大约5分钟。

  《自然》杂志上的论文数据来自2016年12月19日,量子密钥分发时间持续273秒。在最近距离645千米,地面站接收光子的速率达到每秒12000比特,而在最远距离1200千米,地面站接收光子的速率达到每秒1000比特。实验平均误码率维持在1%左右。在密钥分发的最后阶段,误码率明显上升,论文解释道,这是因为此时地面站的望远镜朝向了北京方向,受到环境亮度的干扰增加。

  在完成首个超过1200千米的星地量子通信实验后,潘建伟团队计划以“墨子号”为中转,实现远距离地面间的量子密钥分发。比如说,兴隆地面站把密钥分发给卫星后,卫星储存2小时密钥,等到出现在新疆南山地面站的视野范围内,再分发给南山站。

  潘建伟团队也将在中国、奥地利、意大利和德国间实验洲际密钥分发。

  论文结尾提到,地面的量子通信光纤,足以覆盖百公里级别的距离。为了提高卫星的覆盖面积,搭建全球量子通信网络,潘建伟团队必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星,组建星座,尽可能实现在地球上的任意地点,只要天气条件合适,即可实践量子通信。

  上个月,潘建伟团队在《自然·光子学》期刊(Nature Photonics)上发表了在青海湖白天远距离(53公里)自由空间量子密钥分发的成果。下一代量子通信卫星将不再怕光,能够白天上岗。

(责任编辑:徐立梅 HT001)
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