眾所周知，現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步離不開大規(guī)模信息交換。因此，全球敏感數(shù)據(jù)的安全通信也成了越來(lái)越寶貴的財(cái)富。可能的通信范圍以及所用器件的可信度也面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的印娟等人發(fā)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(jìn)行部署，而且不會(huì)影響量子技術(shù)所能確保的安全性。

為執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)而廣泛采用的各種數(shù)學(xué)工具在量子物理學(xué)原理的輔助下，能進(jìn)一步增強(qiáng)通信鏈路的安全性。這項(xiàng)技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如它能幫助加密的信息抵御可能因計(jì)算能力提升而出現(xiàn)的潛在威脅。

量子通信最主要的應(yīng)用是量子密鑰分發(fā)(quantum key distribution，QKD)。這種技術(shù)能讓相隔一定距離的雙方共享一個(gè)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(duì)潛在竊聽者的計(jì)算能力進(jìn)行假設(shè)。雖然這種理論上的絕對(duì)安全性嚴(yán)格以基本的自然規(guī)律為基礎(chǔ)，但實(shí)際操作卻存在不同情況 。

比如，可以讓雙方中的一方制備光量子態(tài)——量子通信中信息的天然物理載體，并將其發(fā)送給另一方測(cè)量 。利用標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典通信處理這些數(shù)據(jù)后，雙方便可提取這一密鑰。這種場(chǎng)景的量子密鑰分發(fā)已經(jīng)在 400公里長(zhǎng)的低損耗光纖和相距1200公里的星地通信鏈路中成功實(shí)現(xiàn)。

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征且可信。此外，光纖傳輸介質(zhì)的損耗最終也會(huì)變得過高。因此，為實(shí)現(xiàn)安全密鑰分發(fā)而建立的網(wǎng)絡(luò)都包含中繼節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)必須是可信的。這方面的限制可能不利于某些應(yīng)用。

如果能利用發(fā)射端產(chǎn)生光的“糾纏”態(tài)進(jìn)行分發(fā)，就能大大降低對(duì)于可信的要求。糾纏態(tài)屬于量子物理學(xué)特有的性質(zhì)，體現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)所沒有的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)可以通過量子中繼器傳輸，讓相隔遙遠(yuǎn)的兩地物理系統(tǒng)糾纏起來(lái)。過去幾年已經(jīng)在這個(gè)方向上取得了重大進(jìn)展。但迄今為止，糾纏分發(fā)的最遠(yuǎn)距離只能通過直接傳輸糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)——光纖中大約為100公里，使用衛(wèi)星鏈路大概能達(dá)到1200公里。

量子密鑰分發(fā)的理想情況是，利用名為貝爾不等式(Bell inequalities)的統(tǒng)計(jì)特性，只需通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這些非經(jīng)典關(guān)聯(lián)，就能驗(yàn)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(shí)際情況中，要達(dá)到這種級(jí)別的安全性，對(duì)實(shí)驗(yàn)器件有著嚴(yán)苛的要求，當(dāng)前技術(shù)尚無(wú)法滿足。一個(gè)發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，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(shí)現(xiàn)了完整的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)(圖1)。要理解這項(xiàng)成果，關(guān)鍵是看它如何在以往工作[10]的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(hào)”衛(wèi)星制備的糾纏態(tài)的分發(fā)，通過兩個(gè)通信鏈路發(fā)送到相距1200公里的兩個(gè)中國(guó)光纖地面站。

印娟等人報(bào)道了“墨子號(hào)”衛(wèi)星上制備的糾纏光子對(duì)(以非經(jīng)典方式關(guān)聯(lián)的光子)。每對(duì)光子再被傳輸至相距1120公里的兩個(gè)光纖地面站。這個(gè)技術(shù)能讓位于兩個(gè)地面站的雙方共享被稱為密鑰的秘密比特串，并在絕對(duì)安全的情況下用來(lái)加密和解密信息。在作者的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(xiàng)工作是該領(lǐng)域的一座里程碑，但所達(dá)到的傳輸效率對(duì)于量子密鑰分發(fā)來(lái)說太低，無(wú)法在現(xiàn)實(shí)條件中應(yīng)用。尤其是因?yàn)橹挥杏邢迶?shù)量的糾纏態(tài)可以在很短的數(shù)據(jù)收集窗口內(nèi)完成傳輸，較高的誤碼率導(dǎo)致密鑰無(wú)法被提取?？紤]到這種只能利用有限數(shù)量糾纏態(tài)的情況，對(duì)于確保安全性至關(guān)重要，尤其是在基于衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)橹荒茉谛l(wèi)星對(duì)于地面站可見的短暫時(shí)間里收集數(shù)據(jù)。

為解決這一問題，印娟等人進(jìn)行了主要技術(shù)升級(jí)，包括在地面站安裝超高效望遠(yuǎn)鏡，并升級(jí)光路各階段的設(shè)備組件。作者進(jìn)行了非常仔細(xì)的優(yōu)化，包括使用前沿的信號(hào)捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng)，以及星地同步技術(shù)。這些優(yōu)化讓傳輸效率在此前實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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(gè)衛(wèi)星軌道上驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

從安全性的角度看，此次演示并沒有擺脫對(duì)接收站可信的要求。因此，必須對(duì)這些地面站器件的內(nèi)部運(yùn)作進(jìn)行假設(shè)。印娟等人通過兩種方式，將這些假設(shè)在實(shí)踐中可能無(wú)效所造成的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

首先，他們利用一種系統(tǒng)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，他們采用一系列方案主動(dòng)控制光子信息載體的特性。這兩項(xiàng)工作，加上量子技術(shù)理論上能抵御任何可能攻擊的安全性，使得作者演示的量子密鑰分發(fā)處于當(dāng)前最先進(jìn)的位置。

不過，距離研究結(jié)果真正轉(zhuǎn)化成高安全性的實(shí)際應(yīng)用，還要解決一些不足，比如該實(shí)驗(yàn)生成密鑰的速度極低。此外，這次實(shí)驗(yàn)只在夜間進(jìn)行，使用的波長(zhǎng)與電信光纖網(wǎng)絡(luò)無(wú)法兼容，而實(shí)現(xiàn)全球量子通信需要光纖網(wǎng)絡(luò)與基于太空的量子通信網(wǎng)絡(luò)融合。再有，量子密鑰分發(fā)也只能在對(duì)于衛(wèi)星同步可見的地面站之間實(shí)現(xiàn)。

所有這些領(lǐng)域的進(jìn)步都要求開發(fā)出高性能器件，能夠在比研究中更長(zhǎng)的波長(zhǎng)下運(yùn)作;另外還需要在比“墨子號(hào)”更高軌道運(yùn)行的衛(wèi)星;長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)還需要與量子中繼器等其他有潛力的架構(gòu)整合，允許采用不可信節(jié)點(diǎn)。

這類進(jìn)展將會(huì)釋放出量子技術(shù)的全部潛力，助力它在全球尺度上執(zhí)行量子加密任務(wù)。