量子互联网甩美国几条街!中国在天基量子通信领域取得新的里程碑
2020-07-08
2016年11月26日拍摄的照片显示了在中国北方河北省兴隆市的量子卫星“墨子号”与量子通信地面站之间建立的卫星对地球的连接。中国卫星墨子号在2016年的发射本来可以看作只是对已经

2016年11月26日拍摄的照片显示了在中国北方河北省兴隆市的量子卫星“墨子号”与量子通信地面站之间建立的卫星对地球的连接。

中国卫星墨子号在2016年的发射本来可以看作只是对已经绕地球运行的2700多种仪器的一次补充。但是,专门致力于量子信息科学的米丘斯可以说是美国在物理学前沿的大国竞争中的领先者。这颗卫星是中国科学技术大学物理学家潘建伟的创造力,它帮助他和他的同事取得了一些突破性的成果,使曾经深奥的量子密码学领域成为主流。

潘建伟的团队在6月15日《自然》杂志上发表的一篇新论文中介绍了一种使用墨子号的安全的量子消息传递方法。这一成就使世界(或至少是中国)距离实现真正不可破解的全球通信距离更近了一步。

2017年,该团队与奥地利的一组研究人员一起,能够利用该卫星在北京和维也纳之间进行全球首次量子加密的虚拟电话会议。尽管这是一个巨大的里程碑,但这种方法并不是防止黑客入侵的安全措施。墨子号本身就是弱点:卫星“知道”每个位置的光子序列或密钥,以及用于解密的组合密钥。如果以某种方式仔细监视了间谍的活动,则电话会议的完整性可能会受到损害。

为了克服这个问题,潘建伟和他的同事们的新示威活动确保了米丘斯不会“知道”任何事情。诀窍是避免使用卫星作为通信中继。取而代之的是,该团队仅依靠它同时传输一对秘密密钥,从而允许相距1120多公里的中国两个地面站建立直接链接。潘建伟说:“我们不需要信任卫星。因此,任何人都可以制造卫星,甚至可以由您的敌人制造。” 每个秘密密钥都是两串纠缠的光子对之一。量子物理学定律规定,任何暗中监视此类传输的尝试都不可避免地会留下类似错误的覆盖区,任何一个站的接收者都可以轻松地检测到。

这是首次使用卫星演示了这种称为“基于纠缠的量子密钥分配”的技术。(2017年的测试还分配了量子密钥。但是,它没有同样程度地利用纠缠。)“发射卫星时,这是一个巨大的里程碑,”安大略省威尔弗里德·劳里尔大学的物理学家说。没有参与这项新研究。“但是(研究人员)没有实际使用该纠缠来进行密钥分发所需的错误检测率水平。”

错误检测率至关重要,因为区分真实错误和类似于窃听的错误足迹对于安全至关重要。此外,高速率可能意味着两个地面站接收的密钥彼此不同,这种情况将导致无法进行安全通信。为了提高通信系统的保真度,科学家们致力于提高监视Micius传输的两个地面站中每一个的望远镜的聚光效率-更新滤波系统和光学组件,以达到量子通信所需的必要的低错误率。密钥分配。

即使这是第一次通过卫星进行基于纠缠的量子密钥分配,也已经成功进行了基于地面的实验。但是,在基于地面的量子通信中,连接两个位置的光纤会吸收透射的光子,并且吸收率会随着距离的增加而增加。沿着光纤放置的“受信任节点”对密钥进行解密和重新加密,以延长密钥传输距离。但是就像2017年演示中的墨子号一样,这些中介中的每一个都拥有所有的量子密钥,因此容易受到黑客攻击。尽管称为量子中继器的原型设备提供了更好的安全性,但该技术还不够先进,无法实用。相比之下,由于来自卫星的信号大部分时间都是在空旷的地方传播,

这种情况并不意味着基于卫星的系统天生就比基于地面的系统更好。“这是一种苹果和橙子,”伊利诺伊大学厄本那香槟分校的物理学家保罗·科威特说,他也没有参与这项研究。“卫星有两个问题。其中之一是,目前没有多少量子研究卫星在飞行。第二,这些卫星并不总是停在您想要的望远镜上。” 依靠卫星的通行开销意味着安全的通信只能在一天中的特定时间进行。即便如此,该技术目前仍需要其他因素(例如,相当晴朗的天空)以确保地面站可以接收钥匙。

科威特说:“我认为要试图决定要购买这两种产品中的哪一种并不是一个好策略。” 相反,他补充说,利用卫星连接的本地光纤网络的混合系统可能是最好的方法。

潘建伟说,他的团队的下一个重大任务是在离地球表面10000公里的更高轨道发射和运行量子卫星。他估计,该项目可能在短短五年内实现升空。在如此高的高度上,卫星可以促进彼此相距较远的地面站之间更频繁的通信。(相比之下,墨子号绕地球运行仅500公里,将其对任何地面站的覆盖范围限制为每天两次。)有了高轨道量子卫星,“您可以整天执行量子密钥分配。这样您就有了更多的交流时间,” 潘建伟说。他还估计,新卫星将能够在相距10000公里的两个地面站之间执行基于纠缠的量子密钥分配,

随着中国在寻求不可突破的量子通信方面不断前进,其他国家也在争先恐后地追赶。NASA在2018年启动了国家太空量子实验室的开发工作,该实验室将在国际空间站上使用激光来实现地面站之间的安全通信。在欧洲,一个耗资10亿欧元的Quantum旗舰项目下的Quantum Internet Alliance处于启动阶段。另外,英国和新加坡之间的联合小组正在朝着明年发射自己的量子通信卫星的方向取得快速进展。日本和印度也正在从事此类工作。

那么,中国是否会赢得安全量子互联网的竞赛?潘建伟说现在还为时过早。他说:“在量子互联网成为现实之前,我们将需要更大的产出。”

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