出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學(xué)物理系）

監(jiān)制：中國科普博覽

當(dāng)提及量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution, QKD）時，我們進入了一個令人驚嘆的科學(xué)領(lǐng)域，它構(gòu)建在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，以絕對安全性為目標，同時依賴于量子糾纏態(tài)來實現(xiàn)這一目標。在量子密鑰分發(fā)方案中，量子糾纏態(tài)是關(guān)鍵的元素，扮演著保密通信的核心角色。

量子密鑰分發(fā)的基本原理涉及通信雙方的合作，通過量子態(tài)的制備和測量，安全地生成和共享密鑰。這個過程不僅能夠確保密鑰的保密性，還能夠監(jiān)測是否有任何竊聽者試圖干擾通信。

量子密鑰分發(fā)方案被認為是理論上絕對安全的通信方法，因為它依賴于量子力學(xué)的基本原理，而不依賴于計算復(fù)雜性。這意味著無論未來的計算技術(shù)有多強大，都無法破解通過量子密鑰分發(fā)方案生成的密鑰。

經(jīng)過近40年的發(fā)展，量子密鑰分發(fā)方案已經(jīng)走出實驗室并開始工程化建設(shè),為我們的現(xiàn)代保密通信張開一面強大的“量子之盾”。一些國家和地區(qū)已經(jīng)在城市間的通信網(wǎng)絡(luò)中部署了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，以提高通信的安全性。

量子密鑰——用光來保護信息安全

一般而言，量子密鑰分發(fā)方案要想實現(xiàn)絕對安全的保密通信，就需要滿足兩個要求。

第一個是，需要采用“一次一密”的加密方式，保證每次通信都需要生成全新的密鑰；第二個是，每次生成的密鑰不能再是普通的密鑰，而是需要采用量子力學(xué)的基本原理才能制備。

因此，量子密鑰分發(fā)方案需要有兩個通信信道，其中一個是用于傳輸加密信息的經(jīng)典信道，而另外一個則是用于分發(fā)解密信息的量子信道，而這種特殊的密鑰也被稱為“量子密鑰”。

量子密鑰分發(fā)方案示意圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

那么問題來了，如何在實驗上制備出合格的“量子密鑰”呢？

其實，光就是一種近乎完美的量子密鑰。這是因為，光的傳播速度極快，可以滿足即時通信的要求，除此之外，單個光子還可以被制備出特定的狀態(tài)，用以編碼不同的信息，形成可以被共享的量子密鑰。

因此，單個光子可以作為量子密鑰，在量子信道中實現(xiàn)快速的信息傳遞。

想要獲取大量的光子很簡單，然而，制備出單個光子并不是一件輕松的事情。這是因為單個光子的能量極低，大約只有3×10^-19焦耳的能量。

而一支功率為10瓦的普通手電筒，僅僅只發(fā)出一秒鐘的光束，就大約會有3×10^19個光子。因此，要想每次只制備出一個光子，就需要十分特殊的單光子源才能實現(xiàn)。

更難的是，正是因為單個光子的能量極低，而且容易受到空氣等介質(zhì)的吸收并發(fā)生損耗，從而極大地限制了單個光子的有效傳播距離。

因此，量子密鑰分發(fā)方案采用單光子進行密鑰傳輸，對環(huán)境有著比較高的要求。

然而，我們的科學(xué)家和工程師卻發(fā)揮出超強的聰明才智，帶著光子實現(xiàn)“入地”和“上天”，從而實現(xiàn)了量子保密通信的工程化應(yīng)用。

光子“入地”——基于光纖進行量子保密通信

想象一下，如果要實現(xiàn)北京和上海之間的保密通信，那么單個光子不僅需要跨越2000多公里的距離，而且不能丟失密鑰信息。

打個比方，單個光子就像一輛裝載密鑰信息的小汽車，如果光子只在空氣中傳播的話，就像小汽車只在崎嶇的普通土路行駛，那么小汽車的燃油會很快耗盡。

因此，科學(xué)家和工程師們受到高速公路的啟發(fā)，決定也給單個光子修建一條專屬的光纖通道，來實現(xiàn)通信雙方之間點對點的密鑰傳輸。

其實早在1993年，來自英國的研究團隊就利用單個光子作為密鑰，在光纖中實現(xiàn)了相距10公里的量子密鑰分發(fā)。

隨后在2004年，來自日本的研究團隊同樣采用光纖通道，將量子密鑰分發(fā)的距離提升至150公里。

而在2008年，來自歐盟的12個國家的研究小組在維也納共同成功建造了歐洲量子通信網(wǎng)絡(luò)（SECOQC），并且可供8個用戶進行量子保密通信。

而在基于光纖傳輸?shù)牧孔颖Ｃ芡ㄐ蓬I(lǐng)域，中國的研究團隊也同樣取得一系列可喜的進展。

在2005年，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的郭光燦研究團隊就采用光纖通道，在北京和天津之間實現(xiàn)了長達125公里的量子保密通信。隨后在2012年，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉研究團隊也合肥市內(nèi)建造了“合肥城域量子通信實驗示范網(wǎng)”，可供數(shù)十個用戶進行量子保密通信。

合肥城域量子通信實驗示范網(wǎng)

然而，由于單個光子的光纖傳輸仍然存在一定的損耗，因此單根光纖有效傳輸?shù)臉O限距離一直很難突破上千公里。

這就像裝載密鑰的小汽車在京滬高速上行駛，然而自身的燃油無法支撐小汽車跑完全程，因此就需要高速路上的服務(wù)站提供加油等服務(wù)。

同樣的道理，單個光子在超遠距離傳輸?shù)臅r候也需要中繼站，來提供不斷的“接力”。

因此，要想實現(xiàn)北京和上海之間長達2000多公里的量子保密通信，就需要利用中繼站進行“接力”，從而保證單光子能夠順利完成量子密鑰的分發(fā)。

“京滬干線”項目示意圖

（圖片來源：中國科學(xué)院）

就在2017年，經(jīng)過中國科學(xué)院等多家機構(gòu)長達4年的通力合作，從北京到上海的“光纖量子通信骨干網(wǎng)工程”終于通過驗收，并且開始了商業(yè)運營，這條量子保密通信也被形象地稱為“京滬干線”。

在“京滬干線”內(nèi)部，沿途共配套32個中繼站進行“接力”，并且通過網(wǎng)絡(luò)隔離等保密方式來實現(xiàn)中繼站內(nèi)的信息安全。

1000多公里距離下，量子密鑰分發(fā)實驗成碼率結(jié)果圖

（圖片來源：參考文獻[2]）

當(dāng)然，如果能夠不使用中繼站的話，這樣量子保密通信不僅僅可以降低建造的成本，還可以從根本上杜絕中繼站被入侵的隱患。就在2023年5月，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)和中國科學(xué)院等單位的研究團隊經(jīng)過通力合作，在沒有中繼站的情況下，在光纖中實現(xiàn)了長達1002公里的量子密鑰分發(fā)。

這意味著，中國研究團隊不僅僅創(chuàng)下了在光纖中無中繼“接力”的最遠量子密鑰分發(fā)的世界紀錄，還有望提供新一代的城際量子保密通信的可靠方案。

光子“上天”——量子通信衛(wèi)星

其實，單個光子除了可以“入地”（用光纖傳輸）來提升量子密鑰分發(fā)的距離，還可以“上天”（用量子通信衛(wèi)星）來打破地表空間的限制，從而實現(xiàn)星地之間的量子保密通信。

可能有人覺得，使用量子通信衛(wèi)星讓單個光子“上天”是不可思議的事情。

其實，地球表面的空氣主要在距地面百公里的范圍內(nèi)，并且隨著高度的增加而逐漸稀薄。而在空氣極其稀薄的衛(wèi)星軌道空間內(nèi)，單個光子幾乎不會受到空氣的吸收等影響而發(fā)生衰減。

因此，只要在天氣狀態(tài)良好的夜晚環(huán)境下，就有可能將單個光子穿過地表空氣射向量子通信衛(wèi)星，再由量子通信衛(wèi)星進行中繼“接力”，最終將單個光子再次返回并穿過地表空氣，實現(xiàn)超遠距離的量子密鑰分發(fā)。怎么樣，是不是有點科幻電影的味道了？

“墨子號”衛(wèi)星實現(xiàn)達7600多公里的洲際量子通信

（圖片來源：參考文獻[3]）

其實早在2008年，來自奧地利和意大利的研究團隊就開始嘗試將單個光子送“上天”，并且首次成功識別了衛(wèi)星反射回地表的單光子信號。

而在2016年，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等研究團隊成功發(fā)射了世界上首顆“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，并且實現(xiàn)了7600多公里的洲際量子密鑰分發(fā)實驗，從而開拓了超遠距離上量子保密通信的研究領(lǐng)域。

《科學(xué)》雜志封面的“墨子號”

（圖片來源：《科學(xué)》雜志）

未來可期——向著量子通信時代邁步

隨著量子保密通信技術(shù)的不斷成熟，原本無比奇妙的科學(xué)設(shè)想正在一步步走進我們的現(xiàn)實生活中。

通過采用“上天”和“入地”等方式，基于單個光子的量子密鑰分發(fā)技術(shù)正在打破空間上的限制，從而為最終實現(xiàn)全域的量子保密通信提供了無限的可能性。

“京滬干線”量子密鑰分發(fā)示意圖

（圖片來源：參考文獻[4]）

得益于“京滬干線”和“墨子號”等一系列代表性成果的不斷涌現(xiàn)，中國團隊在量子保密通信方面的研究已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。相信在不久的將來，將有更多的光纖通道和量子通信衛(wèi)星實現(xiàn)互聯(lián)互通，從而最終實現(xiàn)全球化的全域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。

讓我們一起期待量子保密通信時代的到來吧！

參考文獻

[1] Buttler W T, Hughes R J, Kwiat P G, et al. Free-space quantum-key distribution[J]. Physical Review A, 1998, 57(4): 2379.

[2] Liu Y, Zhang W J, Jiang C, et al. Experimental twin-field quantum key distribution over 1000 km fiber distance[J]. Physical Review Letters, 2023, 130(21): 210801.

[3] Liao S K, Cai W Q, Handsteiner J, et al. Satellite-relayed intercontinental quantum network[J]. Physical review letters, 2018, 120(3): 030501.

[4] Chen Y A, Zhang Q, Chen T Y, et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres[J]. Nature, 2021, 589(7841): 214-219.