「墨子號」量子衛星實現星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態，圓滿實現全部既定科學目標

「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態，至此圓滿實現預先設定的全部三大科學目標，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、紫金山天文台、南京天文儀器有限公司、國家空間科學中心等，在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，利用「墨子號」量子科學實驗衛星，在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。

兩項成果於北京時間8月10日凌晨1點同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上。這是繼先前在國際上率先實現千公里級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗的研究成果發表在《科學》雜誌Science356, 1140 (2017)之後，我國科學家利用「墨子號」量子衛星實現的空間量子物理研究另外兩項重大突破。至此，「墨子號」量子衛星提前並圓滿實現全部三大既定科學目標。

量子通信的研究內容之一是量子密鑰分發。通信安全是國家信息安全和人類經濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對於通信安全的追求從未停止。然而，基於計算複雜性的傳統加密技術，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數學和計算能力的不斷提升，經典密碼被破譯的可能性與日俱增。

與經典通信不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。

量子通信的另一重要內容是量子隱形傳態，它利用量子糾纏可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。遠距離量子隱形傳態是實現分散式量子信息處理網路的基本單元。

量子通信通常採用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數增加。由於量子不可克隆原理，單光子量子信息不能像經典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀錄為百公里量級。根據數據測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰和國際學術界幾十年來奮鬥的共同目標。

利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由於衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。從本世紀初以來，該方向已成為了國際學術界激烈角逐的焦點。

潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。2003年，潘建偉團隊提出了利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨後於2004年在國際上首次實現了水平距離13公里（大於大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項「量子科學實驗衛星」正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。2013年，中科院聯合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨後，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終成功研製了「墨子號」量子科學實驗衛星。「墨子號」衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。

星地高速量子密鑰分發是「墨子號」量子衛星的科學目標之一。量子密鑰分發實驗採用衛星發射量子信號，地面接收的方式，「墨子號」量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級（萬億億倍）。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1 kbps。

這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網路奠定了可靠的技術基礎。以星地量子密鑰分發為基礎，將衛星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發範圍擴展到覆蓋全球。

此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網（如合肥量子通信網、濟南量子通信網、京滬幹線）互聯，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網路。

圖1 星地量子密鑰分發實驗示意圖

圖 2 「墨子號」-興隆地面站量子密鑰分發實驗現場圖

為此，《自然》雜誌的審稿人稱讚星地量子密鑰分發成果是 「令人欽佩的成就」（「an impressive achievement」）和「本領域的一個里程碑」（「it constitutes a milestone in the field」），並斷言「毫無疑問將引起量子信息、空間科學等領域的科學家和普通大眾的高度興趣，並導致公眾媒體極為廣泛的報道」（「I have no doubt that it will attract the interest of scientists working in a variety of fields (including quantum information science and space science), the general public, and lead to very extensive media coverage」）。

地星量子隱形傳態是「墨子號」量子衛星的科學目標之一。量子隱形傳態採用地面發射糾纏光子、天上接收的方式， 「墨子號」量子衛星過境時，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態均以大於99.7%的置信度超越經典極限。假設在同樣長度的光纖中重複這一工作，需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀測到1個事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網路研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。

圖3 量子隱形傳態實驗示意圖

圖4 「墨子號」-阿里地面站量子隱形傳態實驗現場圖

《自然》雜誌審稿人稱讚「這些結果代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破」（「These results represent an important breakthrough in the quest for quantum communications over long distances」）, 「這個目標非常新穎並極具挑戰性，它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步」（「This goal is very challenging and new, and it represent a significant advancement of the realization of quantum communications schemes.」）。

文章的預印本在學術網站 arXiv.org 上公開後就受到國際科學媒體廣泛關注，比如，自然新聞（Nature news）以「Quantum teleportation is even weirder than you think（量子隱形傳態超乎想像的神秘）」為題進行了報道，BBC新聞分別以「First object teleported to Earth s orbit」和「Teleportation: Photon particles today, humans tomorrow?」為題進行了連續報道，英國《衛報》也以「Beam me up, Scotty! Scientists teleport photons into space」為題進行了相關報道，等等。

「墨子號」量子衛星全部三大既定科學目標的成功實現，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

（中國科學院量子信息與量子科技創新研究院，中國科學技術大學）

本文經授權轉載自「墨子沙龍」

論文基本信息

標題

Satellite-to-ground quantum key distribution

作者

Cheng-Zhi Peng,Jian-Yu Wang,Jian-Wei Panet al.

期刊

Nature

日期

2017.8.9 (online)

DOI

10.1038/nature23655

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摘要

Quantum key distribution (QKD) uses individual light quanta in quantum superposition states to guarantee unconditional communication security between distant parties. In practice, the achievable distance for QKD has been limited to a few hundred kilometres, owing to the channel loss of fibers or terrestrial free space that exponentially reduced the photon rate. Satellite-based QKD promises to establish a global-scale quantum network by exploiting the negligible photon loss and decoherence in the empty out space. Here we develop and launch a low-Earth-orbit satellite to implement decoy-state QKD with over kHz key rate from the satellite to ground over a distance of up to 1,200?km, which is up to 20 orders of magnitudes more efficient than that expected using an optical fiber (with 0.2 dB/km loss) of the same length. The establishment of a reliable and efficient space-to-ground link for faithful quantum state transmission paves the way to global-scale quantum networks.

標題

Ground-to-satellite quantum teleportation

作者

Cheng-Zhi Peng,Jian-Yu Wang,Jian-Wei Panet al.

期刊

Nature

日期

2017.8.9 (Online)

DOI

10.1038/nature23675

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摘要

An arbitrary unknown quantum state cannot be precisely measured or perfectly replicated. However, quantum teleportation allows faithful transfer of unknown quantum states from one object to another over long distance, without physical travelling of the object itself. Long-distance teleportation has been recognized as a fundamental element in protocols such as large-scale quantum networks and distributed quantum computation. However, the previous teleportation experiments between distant locations were limited to a distance of the order of 100 kilometers, owing to photon loss in optical fibres or terrestrial free-space channels. An outstanding open challenge for a global-scale 『quantum internet』 is to significantly extend the range for teleportation. A promising solution to this problem is exploiting satellite platform and space-based link, which can conveniently connect two remote points on the Earth with greatly reduced channel loss because most of the photons』 propagation path is in empty space. Here we report the first quantum teleportation of independent single-photon qubits from a ground observatory to a low-Earth-orbit satellite—through an up-link channel—with a distance of up to 1,400?km. To optimize the link efficiency and overcome the atmospheric turbulence in the up-link, a series of techniques are developed, including a compact ultra-bright source of multi-photon entanglement, narrow beam divergence, high-bandwidth and high-accuracy acquiring, pointing and tracking (APT). We demonstrate successful quantum teleportation for six input states in mutually unbiased bases with an average fidelity of 0.80?±?0.01, well above the classical limit. This work establishes the first ground-to-satellite up-link for faithful and ultra-long-distance quantum teleportation, an essential step towards global-scale quantum internet.

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