眾所周知，現(xiàn)代社會的進步離不開大規(guī)模信息交換。因此，全球敏感數(shù)據(jù)的安全通信也成了越來越寶貴的財富?？赡艿耐ㄐ欧秶约八闷骷目尚哦纫裁媾R著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的印娟等人發(fā)表在《自然》上的研究表明，這種加密方案能在超過1000公里的距離上進行部署，而且不會影響量子技術(shù)所能確保的安全性。
為執(zhí)行這項任務(wù)而廣泛采用的各種數(shù)學(xué)工具在量子物理學(xué)原理的輔助下，能進一步增強通信鏈路的安全性。這項技術(shù)有很多優(yōu)點，比如它能幫助加密的信息抵御可能因計算能力提升而出現(xiàn)的潛在威脅。
量子通信最主要的應(yīng)用是量子密鑰分發(fā)(quantum key distribution，QKD)。這種技術(shù)能讓相隔一定距離的雙方共享一個秘密比特串，也被稱為密鑰，雙方能用它加密、解密保密的信息，而不用對潛在竊聽者的計算能力進行假設(shè)。雖然這種理論上的絕對安全性嚴(yán)格以基本的自然規(guī)律為基礎(chǔ)，但實際操作卻存在不同情況 。
比如，可以讓雙方中的一方制備光量子態(tài)——量子通信中信息的天然物理載體，并將其發(fā)送給另一方測量 。利用標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典通信處理這些數(shù)據(jù)后，雙方便可提取這一密鑰。這種場景的量子密鑰分發(fā)已經(jīng)在 400公里長的低損耗光纖和相距1200公里的星地通信鏈路中成功實現(xiàn)。
雖然這些演示令人印象深刻，但它要求雙方的器件被完全表征且可信。此外，光纖傳輸介質(zhì)的損耗最終也會變得過高。因此，為實現(xiàn)安全密鑰分發(fā)而建立的網(wǎng)絡(luò)都包含中繼節(jié)點，且節(jié)點必須是可信的。這方面的限制可能不利于某些應(yīng)用。
如果能利用發(fā)射端產(chǎn)生光的“糾纏”態(tài)進行分發(fā)，就能大大降低對于可信的要求。糾纏態(tài)屬于量子物理學(xué)特有的性質(zhì)，體現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)所沒有的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)可以通過量子中繼器傳輸，讓相隔遙遠的兩地物理系統(tǒng)糾纏起來。過去幾年已經(jīng)在這個方向上取得了重大進展。但迄今為止，糾纏分發(fā)的最遠距離只能通過直接傳輸糾纏態(tài)實現(xiàn)——光纖中大約為100公里，使用衛(wèi)星鏈路大概能達到1200公里。
量子密鑰分發(fā)的理想情況是，利用名為貝爾不等式(Bell inequalities)的統(tǒng)計特性，只需通過實驗檢驗這些非經(jīng)典關(guān)聯(lián)，就能驗證生成密鑰的安全性，而不要求雙方使用的器件可信。
但在實際情況中，要達到這種級別的安全性，對實驗器件有著嚴(yán)苛的要求，當(dāng)前技術(shù)尚無法滿足。一個發(fā)展方向是實現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，這能降低要求，雖然要求雙方的器件可信，但糾纏源可以是不可信的。
印娟等人在這些限制條件下，成功實現(xiàn)了完整的遠距離量子密鑰分發(fā)(圖1)。要理解這項成果，關(guān)鍵是看它如何在以往工作[10]的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的——該論文的部分作者與同事在2017年的研究中演示了“墨子號”衛(wèi)星制備的糾纏態(tài)的分發(fā)，通過兩個通信鏈路發(fā)送到相距1200公里的兩個中國光纖地面站。
印娟等人報道了“墨子號”衛(wèi)星上制備的糾纏光子對(以非經(jīng)典方式關(guān)聯(lián)的光子)。每對光子再被傳輸至相距1120公里的兩個光纖地面站。這個技術(shù)能讓位于兩個地面站的雙方共享被稱為密鑰的秘密比特串，并在絕對安全的情況下用來加密和解密信息。在作者的實驗設(shè)計中，雙方使用的器件必須是可信的，但糾纏光子源可以是不可信的?！ ‰m然那項工作是該領(lǐng)域的一座里程碑，但所達到的傳輸效率對于量子密鑰分發(fā)來說太低，無法在現(xiàn)實條件中應(yīng)用。尤其是因為只有有限數(shù)量的糾纏態(tài)可以在很短的數(shù)據(jù)收集窗口內(nèi)完成傳輸，較高的誤碼率導(dǎo)致密鑰無法被提取?？紤]到這種只能利用有限數(shù)量糾纏態(tài)的情況，對于確保安全性至關(guān)重要，尤其是在基于衛(wèi)星的實驗中，因為只能在衛(wèi)星對于地面站可見的短暫時間里收集數(shù)據(jù)。
為解決這一問題，印娟等人進行了主要技術(shù)升級，包括在地面站安裝超高效望遠鏡，并升級光路各階段的設(shè)備組件。作者進行了非常仔細的優(yōu)化，包括使用前沿的信號捕獲、對準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng)，以及星地同步技術(shù)。這些優(yōu)化讓傳輸效率在此前實驗基礎(chǔ)上獲得了四倍提升，大大降低了誤碼率，足以獲取密鑰。作者還在多個衛(wèi)星軌道上驗證了實驗結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。
從安全性的角度看，此次演示并沒有擺脫對接收站可信的要求。因此，必須對這些地面站器件的內(nèi)部運作進行假設(shè)。印娟等人通過兩種方式，將這些假設(shè)在實踐中可能無效所造成的風(fēng)險降至最低。
首先，他們利用一種系統(tǒng)性方法，解決了源端不完美可能將信息意外泄露給潛在竊聽者的問題。第二，他們采用一系列方案主動控制光子信息載體的特性。這兩項工作，加上量子技術(shù)理論上能抵御任何可能攻擊的安全性，使得作者演示的量子密鑰分發(fā)處于當(dāng)前最先進的位置。
不過，距離研究結(jié)果真正轉(zhuǎn)化成高安全性的實際應(yīng)用，還要解決一些不足，比如該實驗生成密鑰的速度極低。此外，這次實驗只在夜間進行，使用的波長與電信光纖網(wǎng)絡(luò)無法兼容，而實現(xiàn)全球量子通信需要光纖網(wǎng)絡(luò)與基于太空的量子通信網(wǎng)絡(luò)融合。再有，量子密鑰分發(fā)也只能在對于衛(wèi)星同步可見的地面站之間實現(xiàn)。
所有這些領(lǐng)域的進步都要求開發(fā)出高性能器件，能夠在比研究中更長的波長下運作;另外還需要在比“墨子號”更高軌道運行的衛(wèi)星;長遠來看，這項技術(shù)還需要與量子中繼器等其他有潛力的架構(gòu)整合，允許采用不可信節(jié)點。
這類進展將會釋放出量子技術(shù)的全部潛力，助力它在全球尺度上執(zhí)行量子加密任務(wù)。
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