量子通信成为现实，“墨子号”是最大功臣，首次实现千里级通信

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近些年来我国在量子通信领域取得了显著的成就，其中“墨子号”作为我国在量子通信领域里的主要系列，一直承担着中流砥柱的作用。根据光明网6月28日的报道，近日我国“墨子号”量子科学实验卫星再次取得新成就，由我国主导的科研团队利用该卫星在两个相距甚远的地方实现了人类历史上首次跨越上千公里的量子密钥分发，该成就有望为量子通信的现实应用铺垫道路。

据了解该科研团队由中国科学技术大学潘建伟及其团队、牛津大学阿图尔·埃克特、光电技术研究所等多个团队组成，他们已经将实验成果发表在《自然》杂志上。那么这项听起来高大上的成就到底指的是什么？它是如何保障量子通信的安全？它与我们的日常生活又有着什么样的联系呢？

什么是量子？什么量子密钥？

在弄清楚基于量子纠缠的量子密钥分发之前，我们需要弄清楚两个相关的基础概念，分别是量子和量子密钥分发。相信近些年朋友们没少听过“量子”这个词，但知道它的含义的人并不多。量子是物理学上的一个基础概念，它指的是构成物质最基本的单位，也就是说我们所熟知的分子、原子、电子也属于量子的范畴。

而量子密钥分发，指的是在量子通信过程中为了保证通信安全，进行遥远距离通信的双方创建了密钥并进行共享，该密钥主要为以二进制传输的信息进行加密。从理论上来说，这种加密传送信息的方式是非常安全的，因为只要有第三方试图窃取量子密钥，那么这种行为立刻就会暴露。

为什么量子密钥一旦被窃取了，通信双方能立马发现？

这种通信方式建立在量子的叠加性和不可复制性这两个特性上。量子密钥的分发过程就好比发信人将通信密码放在一个密封的盒子里，然后将它传给收信人，而打开盒子的密码只有收信人知道。如果这个盒子在传送的过程中被第三方动弹了，那么它的密码就会作废，同时收发双方都会第一时间就发现此事，这便是量子密钥分发的优势所在。

在量子理论形成体系之前，经典物理学认为物质的形态是确定的，一般不会产生叠加的情况。例如一只猫的状态不是活，就是死，但如果把猫放到了量子世界里，它是活和死叠加。这种叠加状态使得猫极为脆弱，只要有人去接触它，它就可能朝着活或死的状态变化，这个过程充分体现了量子的叠加性和不可复制性。

如此理想的通信方式却迟迟无法得到实际应用，这是为何？

从理论上来看，采用量子密钥分发的方式可以在极高程度上保证通信的安全性，但该理论提出已经有相当长一段时间，但至今仍未真正应用到实际生活中。导致绝对安全的量子通信还无法从实验室走出来的原因主要有两方面，一方面是远距离传输会造成巨大的信号损耗，另一方面是现实中的设备存在安全漏洞。

其中，远距离的信号损耗问题最为明显。在实验室里，量子密钥的传输需要单光子来作为载体，然而由于单光子在光纤通道传播时会被吸收，导致越远的距离被吸收的单光子数量就越多，经过理论计算这种信号损耗往往呈现出指数级别，这为远距离的量子通信埋下了一个大坑，国际上的科学家们一直都在努力地填这个坑。

可信中继可解决该难题，但其安全性仍需得到保证

目前国际上已经能够实现500公里左右的量子密钥分发，但无法实现再远的距离，原因就在于信号损耗实在是太大了。针对这个问题，有科学家提出了利用中继点来作为密钥分发的“接力点”。密钥从发送方出发后传输了500公里后就没有能量继续往前传输，如果这时候在500公里处设置一个中继点，让密钥恢复“体力”，这样它就有能量继续跑下去了。

我国的“墨子号”便是基于这个想法充当中继点，让我国的科学家实现了长达7600公里的洲际通信。然而这种方式仍然存在安全漏洞，如果有人入侵了中继点，或者中继点是他国制造的，那么信息有可能会泄露。在2017年我国实现了首次跨越千里的量子纠缠分发后，科学家潘建伟想到了这样一个方法。

是否能利用量子纠缠原理来分发量子密钥呢？

潘建伟想到的方法是利用量子纠缠原理来进行量子密钥分发，其中“墨子号”扮演的角色不再是中继点，而是量子纠缠的发源点。首先来解释一下什么是量子纠缠，这个概念指的是两个粒子在相互作用之后各自的特征变成了综合特征，因此科学家在描述它们的时候无法再以其原来的独立特征来描述，而要以共同作用后的综合特征来描述。

应用到量子密钥的分发中，就是不管接收方与发送方的距离有多远，双方量子密钥拥有综合特征，只要一方通过测量获得该密钥的特征，那么另一方密钥的特征也就确定了下来。就算加持密钥安全性是由不可靠的第三方提供，只要收发双方能够测量出密钥的特征，就能够读取其中的密钥信息。

科研人员如何实现他们的想法？

在明确研究思路后，该团队开始向基于量子纠缠的量子密钥分发这块未知领域进发。前期技术人员在“墨子号”前期实验经验的基础上对实验设备进行升级，同时改善了实验方法，使得无论是单边接收还是双边接收，效率都至少提高到原来的两倍。

前期工作做好之后，研究团队在技术支撑下在乌鲁木齐的南山站和青海的德令哈站建立起了一条超过1120公里的光链路，该光链路便是建立量子纠缠的通道。在这一次实验中，研究人员成功地以每秒钟0.12比特的速度产生密钥。

最终，他们树立了量子通信领域的里程碑

潘建伟团队及其他团队共同努力实现的基于量子纠缠的量子密钥分发并不依靠中继通信，而是将中继通信转化为了量子纠缠源，从而解决了量子密钥分发过程中的安全问题。按照《自然》期刊审稿人的说法，该研究发现树立了量子通信领域的里程碑，不仅创造了人类文明的历史，还可能是开启量子通信下一阶段的大门。

量子通信下一步将如何发展

该研究证实了基于量子纠缠的量子密钥分发是可行的，也证明了量子通信领域的难题是可以攻克的，因此笔者认为该技术将会是中国未来量子通信发展的主要方向。目前实验室里的密钥成码率还仅仅是每秒钟0.2比特，未来还有希望将速度提升到每秒钟十几比特甚至是几十比特，那个时候量子通信的安全性将会极大提高。

尽管中国在不少科学技术领域尚未达到世界领先的水平，但在量子通信方面我们已经做到了这一点，这也是令国人引以为傲的。当然量子通信的发展无法一蹴而就，需要科学家们、科研工作者一朝一夕的默默奉献，更需要一个强大的祖国在背后做支撑。

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