卫星被劫持也安全：“墨子号”刷新无中继的量子密钥分发距离

服役3年10个月的“墨子号”量子通信实验卫星再次登上世界顶尖学术期刊《自然》。它将一对对纠缠光子分发给距离1120公里的青海德令哈和新疆南山，两地间以巧妙的协议建立起量子密钥，其安全性得到量子力学理论的保证。

其实，早在2018年的时候，“墨子号”就已经宣布首次实现了北京和维也纳之间的量子密钥分发，距离长达7600公里。不过，那时卫星需要先后分别和北京、维也纳共建密钥，卫星本身从中起到了中继站的作用，是“量子魔法”的断点。

6月15日，“墨子号”首席科学家、中国科学技术大学教授潘建伟在接受包括澎湃新闻在内的媒体采访时表示，这次由于卫星只负责分发纠缠光源，并不掌握密钥内容，因此即使卫星被他方控制也能产生安全的密钥。

这是无中继的量子密钥分发距离首次突破1000公里，可以说是目前为止最安全的远距离量子密码。

量子保密通信理论奠基人之一Gilles Brassard对此评价道：“这终将实现所有密码学者千年来的梦想。”

“量子魔法”断点

如果将一串以“0”、“1”组成的数字加载在量子（通常是光子）的量子态上，就构成了量子密钥。一个未知的量子态不能够被精确地复制，一旦被测量就会被破坏。因此，一旦有人窃取并试图自行读取量子密钥，一定会被发现。只有使用双方约定的“打开方式”，才能得到正确的密钥信息。

量子不可克隆定理虽然保证了这种量子密钥分发（QKD）技术被窃听必留痕迹，但也在工程上带来了无法像电信号一样被增强的难题。光子通过长距离光纤传输，必然会产生损耗。

再加上环境噪音的影响，目前现实世界条件下两个地面用户之间直接通过光纤分发量子密钥，最远距离只能达到约100 公里。

因此，距离长达2000公里左右的世界首条量子保密通信干线“京沪”干线，沿途设置了32个中继站点进行“接力”。

这些中继站点之间的链路得到量子力学理论的安全保证，中继站点本身却没有，而是依赖人为保护。尽管这种方式将传统保密通信中整条线路的安全风险大幅缩小到这些中继节点范围，但仍然留下了可能的安全性“断点。”如果以卫星为中继站，不论地面两点相距多远，损耗仅发生在地面站和卫星之间，即10公里级的大气层厚度，再往上就近乎真空。但卫星中继也只是把“量子断点”缩减到了1个，仍然需要人为保护。

基于纠缠的QKD

在提出最初的量子密钥分发协议BB84之后， Ekert在1991年提出了纠缠版本的量子密钥分发协议E91，随后在1992在又被Brassard等人加以改进形成BBM92协议。利用超越距离的神奇量子纠缠效应，无需中继的远距离量子密钥分发成为可能。

量子纠缠被爱因斯坦成为“鬼魅般的远距作用”。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变（比如人们对其进行测量），另一个的状态会瞬时发生相应改变。

当“墨子号”卫星从上空经过时，德令哈和南山各有专门的新建望远镜对纠缠光子进行接收。只要使用相同的“打开方式”，如果一方读出信息为“0”，另一方一定会读出信息为“1”，那么，其中一方对“0”、“1”进行互换，即可共享一串量子密钥。而一旦双方沟通部分密钥，发现差错很多，就是窃听者留下的痕迹。这一过程中，卫星只是负责分发纠缠，本身并不参与量子密钥的产生，因此即使卫星被他方控制，只要地面的双方能够验证纠缠的存在，就能够保证密钥的安全。

“墨子号”超越自我

虽然有现成的理论协议在，但“墨子号”想要实现高效、准确的光子传输和接收并不容易。

“墨子号”工程常务副总设计师王建宇介绍道，这几年来通过技术改进，卫星在天上的性能放大了一个数量级，地面站的接收效率提高了4倍，“天地”相乘起来，实际能力提高了数十倍。

具体来说，为了优化接收效率，两个地面站都新建了1.2米口径的望远镜，专门为量子纠缠分发实验而设计。

通过这些改进，实验结果以8倍以上标准差违背了贝尔不等式（之前为约4倍标准差），这显示了光子纠缠没有被破坏。双光子分发的链路效率提升约4倍，误码率从之前的8.1%降低至4.5%，最终的密钥成码率为0.43比特/秒。

这是“墨子号”的又一次超越自我，升级打怪。

潘建伟说道，一开始设计卫星时，只想实现星地之间的量子密钥分发。为了充分发挥卫星的价值，后来又拓展到星地双向量子纠缠分发，以及量子隐形传态进行探索。

如今，“墨子号”又超额完成了千公里级基于纠缠的量子密钥分发，性能依然良好。潘建伟表示，此次科学实验只是从0到1的原理性验证，每个轨道只能传送几十个密钥，尚无实用价值。

他透露，未来有望发射更高轨道的量子通信卫星。不同于“墨子号”匆匆掠过地面站，高轨卫星全天时具备上岗能力。经过六到七年努力后，基于纠缠的无中继星地量子密钥分发才可能具备初步实用价值，与地面上的量子保密通信光纤网络形成配合。