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在西藏阿里天文台，墨子量子科学实验卫星过境，研究人员正在做实验。新华社采访人员金摄
1120公里！最近，“墨子”量子科学实验卫星又有了新的贡献:科学家利用墨子作为量子纠缠源，将量子纠缠分布到两个遥远的地方，在国际上首次实现了基于纠缠的量子密钥分发，为量子通信的实际应用奠定了重要基础。
最近，科学家首次利用墨子在世界范围内实现了基于纠缠的数千公里量子密钥分发。实验结果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空之间的距离提高了一个数量级，而且保证了即使在卫星通过物理原理被其他方控制的极端情况下也能实现保密量子通信，为量子通信的实际应用奠定了重要基础。
该实验由中国科学技术大学潘建伟及其同事与牛津大学Artur eckert、中国科学院上海技术物理研究所王建宇团队、微卫星创新研究所、光电子技术研究所等相关团队共同完成。这一成果最近已在线发表在国际顶级学术期刊《自然》上。
无条件安全量子通信
量子是物质最基本的单位，是能量的基本载体，不能分割复制。对人们来说，所有众所周知的微观粒子，如分子、原子、电子和光子，都被称为量子。一般光子是用来做量子的。
所谓的量子密钥分发，简单来说就是生成一组量子密钥，并在两个遥远地方的用户之间安全共享，对传输的二进制信息进行加密。这种量子通信之所以受到科学家的高度期待，是因为除了信息的发送方和接收方之外，如果第三方试图复制或窃听量子密钥，通信双方都会立即注意到。
这种新的通信方式的实现是基于量子叠加和不可复制的特性。根据经典物理学，一个物体，比如一只猫，只有两种状态，要么活着，要么死了。然而，在量子世界中，这只猫可以处于生死的叠加状态。然而，这种叠加态是极其脆弱的。一旦有人测量它，它的状态会立即改变，而不是原来的猫。换句话说，如果有人试图窃听量子密钥，就需要提前测量传输密钥的量子状态。然而，脆弱的叠加态一旦被测量或复制，就会导致量子本身立即改变其原始状态，从而被双方探测到。
“量子通信克服了经典加密技术固有的安全风险，因为它的安全性不依赖于计算复杂度。这是一种原则上无条件安全的通信方式。一旦有窃听，就会被发现。”潘建伟说。
在潘建伟看来，量子密钥分发就像一个人想把秘密传给另一个人，需要把秘密盒子和一把密钥传给接收者。接收者只有用这把钥匙打开盒子才能得到这个秘密。没有这个钥匙，别人是打不开箱子的，一旦这个钥匙被别人碰过，发件人就会立即发现原来的钥匙会失效，并给一个新的钥匙，直到确保收件人自己拿到为止。
“量子技术，它的基本概念是利用量子物理的规律来操纵微观物质，如原子、分子和电子，从而获得宏观物质世界无法实现的功能，而量子密码就是本文所涉及的关键。理论上，量子加密通信是不能被窃听的。”自然集团副总裁杨晓鸿说。
实际应用面临挑战
理想是充实的，现实是骨感的。原则上，无条件安全的量子通信仍然面临两大挑战:一是长距离传输带来的信号损失；第二，真实设备的不完善造成的安全漏洞，比如光源和探测器。因此，在现实条件下实现远距离量子通信并不像听起来那么简单。
以信号损耗为例。科学家一般采用单光子作为物理载体传输密钥，但由于单光子信号无法放大，传输通道——光纤吸收了单光子，单光子信号的损耗随着传输距离的延长呈指数级增加。经过30多年的不懈努力，国际学术界已将实验室点对点光纤量子密钥分发的距离提高到500公里。
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