绝对安全的量子通信：潘建伟团队实现千公里星地量子密钥分发

北京时间8月10日凌晨，世界顶级学术期刊《自然》杂志登出了中国科学技术大学潘建伟团队的最新成果：他们借助量子科学卫星“墨子号”，成功向河北兴隆地面站分发了量子密钥，最远距离达到1200千米，平均误码率仅有1.1%。

量子密钥分发（QKD）是一种理论上绝对安全、不可被窃听的加密方法，也是量子通信网络中最先可能商业化的部分。通信者用量子叠加态对信息进行加密，而基于量子不可复制原理，任何窃听行为都会对整个通信系统造成干扰。

自1989年，科学家们首次实现距离32厘米的量子密钥分发以来，学界就在不断探索更远距离的实验。不过，传统的光纤传输损耗较大，而同样基于量子不可复制原理，量子信号无法像其他通信信号一样得到增强，这大大限制了量子密钥分发距离。潘建伟团队运用星地传输，显著降低光子的损耗率，使得相距1200千米的量子密钥分发成为现实。

那么，这种信息加密方式，为什么在理论上是绝对安全的呢？这需要从一篇1984年发表的论文说起。

bb84协议：绝对安全的量子通信

1984年，当时任职于IBM研究中心的本内特（Charles H. Bennett）和当时就职于蒙特利尔大学的布拉萨尔（Gilles Brassard）在国际计算机、系统和信号处理大会上发表的一篇文章，奠定了首个量子加密协议。基于两位作者的姓氏首字母和发表年份，该协定也被人称为“bb84”协议。

“bb84”协议构想了一种，在理论上绝对安全的密钥传输方法。现在，我们假设有一个信息发送者Alice，她想发送一串由1和0组成的二进制密钥给信息接受者Bob，同时，还存在一位潜在的窃密者Eve。

在传统通信渠道中，窃密者Eve可以截获Alice传来的密钥，并复制给Bob。这样，Bob并不会察觉到密钥已经被人窃听了。

而在量子通信渠道中，信息是编码在光子的偏振态上的。所谓的量子，是物理学中不可再分的基本单元，由德国物理学家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在“半个光子”的说法。

现在，我们假设存在两台机器A和B，A机器可以产生垂直偏振（记为0）和水平偏振（记为1）的光子，B机器可以产生45度偏振（记为0）和135度偏振（记为1）的光子。如果按照A密码本去读A机器产生的光子，可以正确地读出0或者1，但是，如果按照B密码本去读A机器产生的光子，每个光子都会被随机读成0或者1，也就是说，和瞎猜的概率一样。

值得一提的是，量子具有不可复制的性质。如果窃听者Eve截获了一个光子，由于他只能随机选择A密码本或者B密码本去读，Eve得到正确的数字的概率为75%，而他继续发送给Bob的光子也是如此。也就是说，Eve的窃听不被发现的概率是75%。

这是单光子的情况。如果Alice发送的是10个光子，Eve不被发现的概率是5.6%；如果Alice发送的是100个光子，Eve不被发现的概率是十万亿分之三。

Alice发送完光子串后，会通过经典通信渠道，比如打电话，与Bob核对部分光子。如果发现不存在被窃听的情况，在理论上说，Alice就可以继续向Bob分享剩下的光子的密码本，由Bob挑选出用对密码本的部分作为密钥。

星地量子密钥分发

这种可以防止黑客窃听的量子密钥分发，在国防、政府和商业通信领域很有潜力。去年11月份，潘建伟团队就利用地面光纤，实现了400公里的量子密钥分发。

这次，潘建伟团队通过去年8月发射升空的量子科学卫星“墨子号”分发密钥，光子的损耗率几乎可以忽略不计。卫星上搭载了用于产生量子密钥的光学系统，由八个激光二极管（四个用于产生密钥信号，四个用于产生诱骗态，产生的光波长为850nm）、一个半波片、两个偏振分束器和一个分束器组成。

“墨子号”处于太阳同步轨道上。每天的当地时间00:50分，墨子号进入河北兴隆地面站的视野范围内，持续大约5分钟。

《自然》杂志上的论文数据来自2016年12月19日，量子密钥分发时间持续273秒。在最近距离645千米，地面站接收光子的速率达到每秒12000比特，而在最远距离1200千米，地面站接收光子的速率达到每秒1000比特。实验平均误码率维持在1%左右。在密钥分发的最后阶段，误码率明显上升，论文解释道，这是因为此时地面站的望远镜朝向了北京方向，受到环境亮度的干扰增加。

在完成首个超过1200千米的星地量子通信实验后，潘建伟团队计划以“墨子号”为中转，实现远距离地面间的量子密钥分发。比如说，兴隆地面站把密钥分发给卫星后，卫星储存2小时密钥，等到出现在新疆南山地面站的视野范围内，再分发给南山站。

潘建伟团队也将在中国、奥地利、意大利和德国间实验洲际密钥分发。

论文结尾提到，地面的量子通信光纤，足以覆盖百公里级别的距离。为了提高卫星的覆盖面积，搭建全球量子通信网络，潘建伟团队必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星，组建星座，尽可能实现在地球上的任意地点，只要天气条件合适，即可实践量子通信。

上个月，潘建伟团队在《自然·光子学》期刊（Nature Photonics）上发表了在青海湖白天远距离（53公里）自由空间量子密钥分发的成果。下一代量子通信卫星将不再怕光，能够白天上岗。