量子保密通信再下一城：千公里级量子密钥分发

　　来源：Nature自然科研

　　现代社会的进步离不开大规模信息交换。因此，全球敏感数据的安全通信也成了越来越宝贵的财富。

　　为执行这项任务而广泛采用的各种数学工具在量子物理学原理的辅助下，能进一步增强通信链路的安全性。这项技术有很多优点，比如它能帮助加密的信息抵御可能因计算能力提升而出现的潜在威胁。

量子密钥分发是一种可以保证安全通信的加密技术。

　　但是，可能的通信范围以及所用器件的可信度也面临着巨大的技术挑战。中国科学技术大学的印娟等人发表在《自然》上的研究表明，这种加密方案能在超过1000公里的距离上进行部署，而且不会影响量子技术所能确保的安全性。

　　量子通信最主要的应用是量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）。这种技术能让相隔一定距离的双方共享一个秘密比特串，也被称为密钥，双方能用它加密、解密保密的信息，而不用对潜在窃听者的计算能力进行假设。虽然这种理论上的绝对安全性严格以基本的自然规律为基础，但实际操作却存在不同情况 。

　　比如，可以让双方中的一方制备光量子态——量子通信中信息的天然物理载体，并将其发送给另一方测量 。利用标准的经典通信处理这些数据后，双方便可提取这一密钥。这种场景的量子密钥分发已经在 400公里长的低损耗光纤和相距1200公里的星地通信链路中成功实现。

　　虽然这些演示令人印象深刻，但它要求双方的器件被完全表征且可信。此外，光纤传输介质的损耗最终也会变得过高。因此，为实现安全密钥分发而建立的网络都包含中继节点，且节点必须是可信的。这方面的限制可能不利于某些应用。

　　如果能利用发射端产生光的“纠缠”态进行分发，就能大大降低对于可信的要求。纠缠态属于量子物理学特有的性质，体现了经典物理学所没有的关联。这种关联可以通过量子中继器传输，让相隔遥远的两地物理系统纠缠起来。过去几年已经在这个方向上取得了重大进展。但迄今为止，纠缠分发的最远距离只能通过直接传输纠缠态实现——光纤中大约为100公里，使用卫星链路大概能达到1200公里。

　　量子密钥分发的理想情况是，利用名为贝尔不等式（Bell inequalities）的统计特性，只需通过实验检验这些非经典关联，就能验证生成密钥的安全性，而不要求双方使用的器件可信。

　　但在实际情况中，要达到这种级别的安全性，对实验器件有着严苛的要求，当前技术尚无法满足。一个发展方向是实现基于纠缠的量子密钥分发，这能降低要求，虽然要求双方的器件可信，但纠缠源可以是不可信的。

　　印娟等人在这些限制条件下，成功实现了完整的远距离量子密钥分发（图1）。要理解这项成果，关键是看它如何在以往工作[10]的基础上实现的——该论文的部分作者与同事在2017年的研究中演示了“墨子号”卫星制备的纠缠态的分发，通过两个通信链路发送到相距1200公里的两个中国光纤地面站。

图1：基于纠缠的量子密码。印娟等人报道了“墨子号”卫星上制备的纠缠光子对（以非经典方式关联的光子）。每对光子再被传输至相距1120公里的两个光纤地面站。这个技术能让位于两个地面站的双方共享被称为密钥的秘密比特串，并在绝对安全的情况下用来加密和解密信息。在作者的实验设计中，双方使用的器件必须是可信的，但纠缠光子源可以是不可信的。

　　虽然那项工作是该领域的一座里程碑，但所达到的传输效率对于量子密钥分发来说太低，无法在现实条件中应用。尤其是因为只有有限数量的纠缠态可以在很短的数据收集窗口内完成传输，较高的误码率导致密钥无法被提取。考虑到这种只能利用有限数量纠缠态的情况，对于确保安全性至关重要，尤其是在基于卫星的实验中，因为只能在卫星对于地面站可见的短暂时间里收集数据。

　　为解决这一问题，印娟等人进行了主要技术升级，包括在地面站安装超高效望远镜，并升级光路各阶段的设备组件。作者进行了非常仔细的优化，包括使用前沿的信号捕获、对准和跟踪系统，以及星地同步技术。这些优化让传输效率在此前实验基础上获得了四倍提升，大大降低了误码率，足以获取密钥。作者还在多个卫星轨道上验证了实验结果的稳定性和可靠性。

　　从安全性的角度看，此次演示并没有摆脱对接收站可信的要求。因此，必须对这些地面站器件的内部运作进行假设。印娟等人通过两种方式，将这些假设在实践中可能无效所造成的风险降至最低。

　　首先，他们利用一种系统性方法，解决了源端不完美可能将信息意外泄露给潜在窃听者的问题。第二，他们采用一系列方案主动控制光子信息载体的特性。这两项工作，加上量子技术理论上能抵御任何可能攻击的安全性，使得作者演示的量子密钥分发处于当前最先进的位置。

　　不过，距离研究结果真正转化成高安全性的实际应用，还要解决一些不足，比如该实验生成密钥的速度极低。此外，这次实验只在夜间进行，使用的波长与电信光纤网络无法兼容，而实现全球量子通信需要光纤网络与基于太空的量子通信网络融合。再有，量子密钥分发也只能在对于卫星同步可见的地面站之间实现。

　　所有这些领域的进步都要求开发出高性能器件，能够在比研究中更长的波长下运作；另外还需要在比“墨子号”更高轨道运行的卫星；长远来看，这项技术还需要与量子中继器等其他有潜力的架构整合，允许采用不可信节点。这类进展将会释放出量子技术的全部潜力，助力它在全球尺度上执行量子加密任务。