解讀潘建偉最新工作：量子通信技術實用化飛躍

編者按：

「這是十分令人激動的消息。」

「這兩篇論文的發表意味著潘建偉教授和他的研究團隊順利完成了三項量子實驗的展示，這些實驗將會是全球任何基於空間的量子網路的核心組成部分。」

《自然》雜誌物理科學主編卡爾·齊姆勒斯（Karl Ziemelis）談到的中國「墨子號」量子通信衛星的科學實驗成果，8月10日凌晨在《自然》雜誌在線發表了兩篇論文。

一篇論文展示了科學家用相互糾纏的光子安全地傳送了至關重要的量子密鑰，審稿人稱讚該成果是 「令人欽佩的成就」、「本領域的一個里程碑」。

另一篇論文展示了如何用處於糾纏態的光子來實現量子力學中最著名卻神秘莫測的方面——量子隱形傳態。審稿人稱讚「這些結果代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破」, 「這個目標非常新穎並極具挑戰性，它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步」。

至此，「墨子號」順利完成了預設的全部三大科學目標（另一工作此前已經發表。星地量子糾纏分發，實現大尺度量子非定域性檢驗[Science 356, 1140 (2017)]）。《知識分子》特邀請清華大學物理系教授王向斌解讀此次「墨子號」兩項最新研究工作的科學內涵。

撰文｜王向斌（清華大學物理系教授）

責編｜李曉明

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

中國「墨子號」量子通信衛星在軌運行剛滿一年，已經成功實施了量子密鑰分發、量子隱形傳態等重大科學實驗。

星地量子通信的目的是為了突破量子通信的距離限制，從而大幅度增強量子通信的實用性。

作為量子通信的兩大主要內容，量子密鑰分發和量子隱形傳態可以實現經典通信所無法完成的任務。量子密鑰分發可以實現無條件安全保密通信，即便整個通道都被竊聽者控制，無論竊聽者有多麼強大的計算能力，包括量子計算機在內。事實上，這個安全性及其嚴格證明基於量子物理學基本原理，與演算法複雜度無關。而量子隱形傳態則是要實現一種神奇詭異的量子通信：在預置糾纏分發的基礎上，可以傳遞一個任意未知的量子態而無需傳輸該量子態的物理載體本身。這個東西英文叫做quantum teleportation, 好像電報一樣只傳信息不傳物理載體，不同的是，在這裡，「電報」的發送者和接收者都無需知道「電報」內容卻能完成電報的信息傳輸。

能完成這些任務，是因為利用了單量子態的性質。然而單量子態從原理上無法進行信號放大。普通傳輸介質，無論是地表自由空間或者光纖，其損耗顯著。大體上每15公里損耗一半。這種損耗限制了量子通信距離（或者說，嚴重降低量子通信成碼率），也成為制約量子通信實用化的瓶頸。以衛星為節點，原則上可以徹底突破量子通信的距離限制。地表的光損耗來源於空氣的吸收，而星地通信中，大氣層外太空沒有吸收，只有約10公里等效厚度的大氣吸收。這樣，以衛星為節點的量子通信成碼率可以突破傳統的距離限制。

星地量子密鑰分發實驗。2017年5月拍攝於河北興隆。

剛剛發表於Nature雜誌的論文顯示，中國「墨子號」衛星所實現的星地量子密鑰分發，在軌成碼率超越了過去方法20個數量級。

道理很清楚，但實現起來要克服重重困難。量子通信要求使用單量子態。以量子密鑰分發為例，用強光的經典光通信肯定不行，那樣等於對每個密鑰製成了無數多個備份發送，對於每個脈衝，竊聽者只要取下一個光子則完全掌握了所有「密鑰」。「墨子號」衛星採用弱光+誘騙態方法。對於發射的所有弱光脈衝（平均光子數為每脈衝零點幾個光子），統計上來說，弱光脈衝中的非真空脈衝等價於說，有些是安全的單光子脈衝，有些是不安全的多光子脈衝。儘管我們不知道哪些脈衝是單光子脈衝，但是，採用誘騙態方法，我們卻可以等效地只用了其中單光子脈衝成碼，其安全性等價於採用了理想的單光子脈衝源。然而，從衛星上把單光子脈衝打到地面探頭，這在技術上難度是驚人的，可以把它比作千里之外針尖對麥芒。這個技術要求遠非強光脈衝星地通信的技術要求可比。最近，日本的衛星採用了強光（每脈衝平均光子數位一億）通信。這相當於把每個密鑰比特以一億個備份同時發出，當然也就無密可保了。理論上，這種做法可以讓上億竊聽者獲取密鑰。中國「墨子號」量子通信衛星採用了弱光+誘騙態方法，確保了量子保密通信的核心科學價值：安全性。

地星量子隱形傳態實驗。2017年4月拍攝於西藏阿里。

「墨子號」衛星成功實現的另外一項科學實驗，量子隱形傳態，同樣需要前述的高難度技術。並且，由於接收端在衛星上，而星上望遠鏡口徑受限，這等同於要克服大於量子密鑰分發的通道損耗問題。此項實驗的成功完成，也進一步說明了，中國「墨子號」量子通信衛星的科學技術水平處於世界遙遙領先的地位。如此巨大的成就，來源於研究團隊十多年的努力耕耘。

「墨子號」衛星科學目標的實現，是量子信息通向實用化的關鍵飛躍。「墨子號」衛星不僅僅是某個團隊的成功。那是中國的量子星，也是人類挑戰量子技術極限的巨大成就。

參考文獻：

1.Satellite-to-ground quantum key distribution，Nature(2017) ，doi:10.1038/nature23655

2.Ground-to-satellite quantum teleportation，Nature(2017)，doi:10.1038/nature23675

王向斌

量子密鑰誘騙態方法創建人之一，現任清華大學物理系教授，濟南量子技術研究院院長，教育部中國科學技術大學協同創新中心成員，國家傑出青年科學基金獲得者，教育部「長江學者」特聘教授。提出的4強度MDIQKD優化理論方法獲得實驗證實，使量子密鑰分發首次突破400公里，至今保持著光纖量子密鑰分發安全距離的世界紀錄。

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