服役3年10個月的“墨子號”量子通信實驗衛星再次登上世界頂尖學術期刊《自然》。它將一對對糾纏光子分發給距離1120公里的青海德令哈和新疆南山，兩地間以巧妙的協議建立起量子密鑰，其安全性得到量子力學理論的保證。

其實，早在2018年的時候，“墨子號”就已經宣布首次實現了北京和維也納之間的量子密鑰分發，距離長達7600公里。不過，那時衛星需要先后分別和北京、維也納共建密鑰，衛星本身從中起到了中繼站的作用，是“量子魔法”的斷點。

6月15日，“墨子號”首席科學家、中國科學技術大學教授潘建偉在接受包括澎湃新聞在內的媒體采訪時表示，這次由于衛星只負責分發糾纏光源，并不掌握密鑰內容，因此即使衛星被他方控制也能產生安全的密鑰。

這是無中繼的量子密鑰分發距離首次突破1000公里，可以說是目前為止最安全的遠距離量子密碼。

量子保密通信理論奠基人之一Gilles Brassard對此評價道：“這終將實現所有密碼學者千年來的夢想。”

“量子魔法”斷點

如果將一串以“0”、“1”組成的數字加載在量子（通常是光子）的量子態上，就構成了量子密鑰。一個未知的量子態不能夠被精確地復制，一旦被測量就會被破壞。因此，一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，一定會被發現。只有使用雙方約定的“打開方式”，才能得到正確的密鑰信息。

量子不可克隆定理雖然保證了這種量子密鑰分發（QKD）技術被竊聽必留痕跡，但也在工程上帶來了無法像電信號一樣被增強的難題。光子通過長距離光纖傳輸，必然會產生損耗。

再加上環境噪音的影響，目前現實世界條件下兩個地面用戶之間直接通過光纖分發量子密鑰，最遠距離只能達到約100 公里。

因此，距離長達2000公里左右的世界首條量子保密通信干線“京滬”干線，沿途設置了32個中繼站點進行“接力”。

這些中繼站點之間的鏈路得到量子力學理論的安全保證，中繼站點本身卻沒有，而是依賴人為保護。盡管這種方式將傳統保密通信中整條線路的安全風險大幅縮小到這些中繼節點范圍，但仍然留下了可能的安全性“斷點。”如果以衛星為中繼站，不論地面兩點相距多遠，損耗僅發生在地面站和衛星之間，即10公里級的大氣層厚度，再往上就近乎真空。但衛星中繼也只是把“量子斷點”縮減到了1個，仍然需要人為保護。

基于糾纏的QKD

在提出最初的量子密鑰分發協議BB84之后， Ekert在1991年提出了糾纏版本的量子密鑰分發協議E91，隨后在1992在又被Brassard等人加以改進形成BBM92協議。利用超越距離的神奇量子糾纏效應，無需中繼的遠距離量子密鑰分發成為可能。

量子糾纏被愛因斯坦成為“鬼魅般的遠距作用”。處于糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變（比如人們對其進行測量），另一個的狀態會瞬時發生相應改變。

當“墨子號”衛星從上空經過時，德令哈和南山各有專門的新建望遠鏡對糾纏光子進行接收。只要使用相同的“打開方式”，如果一方讀出信息為“0”，另一方一定會讀出信息為“1”，那么，其中一方對“0”、“1”進行互換，即可共享一串量子密鑰。而一旦雙方溝通部分密鑰，發現差錯很多，就是竊聽者留下的痕跡。這一過程中，衛星只是負責分發糾纏，本身并不參與量子密鑰的產生，因此即使衛星被他方控制，只要地面的雙方能夠驗證糾纏的存在，就能夠保證密鑰的安全。

“墨子號”超越自我

雖然有現成的理論協議在，但“墨子號”想要實現高效、準確的光子傳輸和接收并不容易。

“墨子號”工程常務副總設計師王建宇介紹道，這幾年來通過技術改進，衛星在天上的性能放大了一個數量級，地面站的接收效率提高了4倍，“天地”相乘起來，實際能力提高了數十倍。

具體來說，為了優化接收效率，兩個地面站都新建了1.2米口徑的望遠鏡，專門為量子糾纏分發實驗而設計。

通過這些改進，實驗結果以8倍以上標準差違背了貝爾不等式（之前為約4倍標準差），這顯示了光子糾纏沒有被破壞。雙光子分發的鏈路效率提升約4倍，誤碼率從之前的8.1%降低至4.5%，最終的密鑰成碼率為0.43比特/秒。

這是“墨子號”的又一次超越自我，升級打怪。

潘建偉說道，一開始設計衛星時，只想實現星地之間的量子密鑰分發。為了充分發揮衛星的價值，后來又拓展到星地雙向量子糾纏分發，以及量子隱形傳態進行探索。

如今，“墨子號”又超額完成了千公里級基于糾纏的量子密鑰分發，性能依然良好。潘建偉表示，此次科學實驗只是從0到1的原理性驗證，每個軌道只能傳送幾十個密鑰，尚無實用價值。

他透露，未來有望發射更高軌道的量子通信衛星。不同于“墨子號”匆匆掠過地面站，高軌衛星全天時具備上崗能力。經過六到七年努力后，基于糾纏的無中繼星地量子密鑰分發才可能具備初步實用價值，與地面上的量子保密通信光纖網絡形成配合。