量子保密通信再下一城：千公里級量子密鑰分發
來源：Nature自然科研
現代社會的進步離不開大規模信息交換。因此，全球敏感數據的安全通信也成了越來越寶貴的財富。
為執行這項任務而廣泛採用的各種數學工具在量子物理學原理的輔助下，能進一步增強通信鏈路的安全性。這項技術有很多優點，比如它能幫助加密的信息抵禦可能因計算能力提升而出現的潛在威脅。
量子密鑰分發是一種可以保證安全通信的加密技術。
但是，可能的通信範圍以及所用器件的可信度也面臨著巨大的技術挑戰。中國科學技術大學的印娟等人發表在《自然》上的研究表明，這種加密方案能在超過1000公里的距離上進行部署，而且不會影響量子技術所能確保的安全性。
量子通信最主要的應用是量子密鑰分發（quantum key distribution，QKD）。這種技術能讓相隔一定距離的雙方共享一個秘密比特串，也被稱為密鑰，雙方能用它加密、解密保密的信息，而不用對潛在竊聽者的計算能力進行假設。雖然這種理論上的絕對安全性嚴格以基本的自然規律為基礎，但實際操作卻存在不同情況 。
比如，可以讓雙方中的一方製備光量子態——量子通信中信息的天然物理載體，並將其發送給另一方測量 。利用標準的經典通信處理這些數據後，雙方便可提取這一密鑰。這種場景的量子密鑰分發已經在 400公里長的低損耗光纖和相距1200公里的星地通信鏈路中成功實現。
雖然這些演示令人印象深刻，但它要求雙方的器件被完全表徵且可信。此外，光纖傳輸介質的損耗最終也會變得過高。因此，為實現安全密鑰分發而建立的網路都包含中繼節點，且節點必須是可信的。這方面的限制可能不利於某些應用。
如果能利用發射端產生光的「糾纏」態進行分發，就能大大降低對於可信的要求。糾纏態屬於量子物理學特有的性質，體現了經典物理學所沒有的關聯。這種關聯可以通過量子中繼器傳輸，讓相隔遙遠的兩地物理系統糾纏起來。過去幾年已經在這個方向上取得了重大進展。但迄今為止，糾纏分發的最遠距離只能通過直接傳輸糾纏態實現——光纖中大約為100公里，使用衛星鏈路大概能達到1200公里。
量子密鑰分發的理想情況是，利用名為貝爾不等式（Bell inequalities）的統計特性，只需通過實驗檢驗這些非經典關聯，就能驗證生成密鑰的安全性，而不要求雙方使用的器件可信。
但在實際情況中，要達到這種級別的安全性，對實驗器件有著嚴苛的要求，當前技術尚無法滿足。一個發展方向是實現基於糾纏的量子密鑰分發，這能降低要求，雖然要求雙方的器件可信，但糾纏源可以是不可信的。
印娟等人在這些限制條件下，成功實現了完整的遠距離量子密鑰分發（圖1）。要理解這項成果，關鍵是看它如何在以往工作[10]的基礎上實現的——該論文的部分作者與同事在2017年的研究中演示了「墨子號」衛星製備的糾纏態的分發，通過兩個通信鏈路發送到相距1200公里的兩個中國光纖地面站。
圖1：基於糾纏的量子密碼。印娟等人報道了「墨子號」衛星上製備的糾纏光子對（以非經典方式關聯的光子）。每對光子再被傳輸至相距1120公里的兩個光纖地面站。這個技術能讓位於兩個地面站的雙方共享被稱為密鑰的秘密比特串，並在絕對安全的情況下用來加密和解密信息。在作者的實驗設計中，雙方使用的器件必須是可信的，但糾纏光子源可以是不可信的。
雖然那項工作是該領域的一座里程碑，但所達到的傳輸效率對於量子密鑰分發來說太低，無法在現實條件中應用。尤其是因為只有有限數量的糾纏態可以在很短的數據收集窗口內完成傳輸，較高的誤碼率導緻密鑰無法被提取。考慮到這種只能利用有限數量糾纏態的情況，對於確保安全性至關重要，尤其是在基於衛星的實驗中，因為只能在衛星對於地面站可見的短暫時間裡收集數據。
為解決這一問題，印娟等人進行了主要技術升級，包括在地面站安裝超高效望遠鏡，並升級光路各階段的設備組件。作者進行了非常仔細的優化，包括使用前沿的信號捕獲、對準和跟蹤系統，以及星地同步技術。這些優化讓傳輸效率在此前實驗基礎上獲得了四倍提升，大大降低了誤碼率，足以獲取密鑰。作者還在多個衛星軌道上驗證了實驗結果的穩定性和可靠性。
從安全性的角度看，此次演示並沒有擺脫對接收站可信的要求。因此，必須對這些地面站器件的內部運作進行假設。印娟等人通過兩種方式，將這些假設在實踐中可能無效所造成的風險降至最低。
首先，他們利用一種系統性方法，解決了源端不完美可能將信息意外泄露給潛在竊聽者的問題。第二，他們採用一系列方案主動控制光子信息載體的特性。這兩項工作，加上量子技術理論上能抵禦任何可能攻擊的安全性，使得作者演示的量子密鑰分發處於當前最先進的位置。
不過，距離研究結果真正轉化成高安全性的實際應用，還要解決一些不足，比如該實驗生成密鑰的速度極低。此外，這次實驗只在夜間進行，使用的波長與電信光纖網路無法兼容，而實現全球量子通信需要光纖網路與基於太空的量子通信網路融合。再有，量子密鑰分發也只能在對於衛星同步可見的地面站之間實現。
所有這些領域的進步都要求開發出高性能器件，能夠在比研究中更長的波長下運作；另外還需要在比「墨子號」更高軌道運行的衛星；長遠來看，這項技術還需要與量子中繼器等其他有潛力的架構整合，允許採用不可信節點。這類進展將會釋放出量子技術的全部潛力，助力它在全球尺度上執行量子加密任務。
