中國量子通信再獲突破，潘建偉團隊完成人類首次洲際量子通信
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來源：澎湃新聞
作者：虞涵棋
【新智元導讀】潘建偉團隊再次帶領 「中國隊」 取得量子通信又一突破。1 月 19 日，通過 「墨子號」 的中繼，相距 7600 公里的中國和奧地利完成量子保密通信。這是潘建偉團隊實現的人類首次洲際量子通信。
世界首顆量子通信實驗衛星完成目標；世界首條量子保密通信 「京滬幹線」 開通；世界首次洲際量子通信…… 在過去一年裡，中國科學技術大學潘建偉團隊帶領 「中國隊」 迅速走到了量子通信的前沿領域。
1 月 19 日，中國科學技術大學披露了首次洲際量子通信的更多技術細節。國際權威學術期刊《物理評論快報》以封面論文的形式，介紹了去年９月中國與奧地利科學家藉助 「墨子號」 衛星成功實施的世界首次量子保密的洲際視頻通話。通過 「墨子號」 的中繼，相距 7600 公里的中國和奧地利完成量子保密通信。
北京向維也納發送了一張大小 5.34kB 的 「墨子號」 照片，而維也納則向北京發送了一張大小 4.9kB 的薛定諤照片，通過一段 80kbit 的量子密鑰進行一次一密加密（即 1 比特信息用 1 比特密鑰加密）。
這次量子保密通信與潘建偉的博士導師、奧利地科學院 Anton Zeilinger 教授合作完成。「墨子號」 向北京附近的興隆地面站和維也納附近的格拉茨（Graz）地面站進行了量子密鑰分發，與兩個地面站間各自產生一段密鑰。接著，按照地面指令，「墨子號」 給兩段密鑰進行逐位異或運算，將結果發送給其中一個地面站，由此，中歐兩個距離長達 7600 公里的位點之間建立了密碼。
此外，中國科學院還與奧地利科學院進行了洲際量子保密視頻會議，採用 128 位高級加密標準（每秒刷新 128 位種子密鑰表）。中奧雙方用 560kbit 密鑰支持了 75 分鐘的視頻會議，共傳輸約 2GB 數據。
傳統的公鑰密碼系統依賴特定數學函數的計算難度，但理論上都可以被破解。相反，量子密鑰分發是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的加密方式。通信者用量子疊加態對信息進行加密，而基於量子不可複製原理，任何竊聽行為都會對整個通信系統造成干擾。
經過十多年的實驗探索，潘建偉團隊將量子糾纏分發距離從十幾公里拓展到 404 公里，實現了世界上最遠距離的點到點光纖密鑰分發，可以滿足城際量子通信的需求。
不過，光纖或地面自由空間傳輸的損耗較大，量子通信距離僅限於數百公里。為了實現地球上任意兩點間的量子通信，利用 「天地鏈路」 是個可行的方案。光子在地面與衛星間傳輸時，經過的距離絕大多數是真空，產生的損耗和退相干程度可以忽略不計。
潘建偉團隊在 2016 年 8 月將世界首顆量子通信實驗衛星 「墨子號」 送上 500 公里高的近地軌道。與 「墨子號」 進行合作實驗的 5 個地面站也相繼落成，分別位於河北興隆、新疆南山、青海德令哈、雲南麗江和西藏阿里。
2017 年，潘建偉團隊宣布 「墨子號」 在一年時間內圓滿完成三大科學目標：超過 1200 公里的星地誘騙態量子密鑰分發；距離 1200 公里的星地量子糾纏分發和貝爾態測量；地星量子隱形傳態。
這三個突破性的實驗是搭建全球量子通信網路的基石。結果證實，針對 1200 公里的量子密鑰分發，衛星鏈路效率比光纖高出了 20 多個數量級。
如今，地面 「京滬幹線」 和天上的 「墨子號」 星地鏈路已經進行了整合。2017 年 9 月底，世界首條量子保密通信幹線——「京滬幹線」正式開通，全長 2000 公里，貫穿濟南和合肥。而興隆地面站通過光纖接入了北京的多個量子通信網點。政府機構、銀行和保險公司正通過實際應用測試量子通信骨幹網路。
*披露更多技術細節的論文地址：DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.030501
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