如何实现更远距离的量子通信？使用可信中继是一种有效的方法。什么是可信中继？按照潘建伟的说法，可以理解为“接力跑”:单个光子在光纤中从地A跑到地B，但是没有力气跑。这时可以设置一个值得信赖的节点，让钥匙“落地”，然后其他光子就可以向前跑了。比如以墨子为中继，中国科学家在自由空通道实现了7600公里的洲际通信。
“理论上，只要没有人爬到卫星上去偷听，那么我们的通信就是安全的。不过，这些中继节点的安全性还是需要人为保证。”潘建伟举了一个例子:如果人们用卫星作为中继节点，卫星持有用户分发的所有密钥。因此，还有一个问题:如果这颗卫星是其他国家制造的，可能会有信息泄露的风险。
那么，如何规避这种潜在的风险呢？2017年，“墨子”首次实现了数千公里的量子纠缠分布，成功完成了既定的科学目标。这时，潘建伟想出了一个新主意:发射一颗卫星要花很多钱。能否尝试用墨子作为量子纠缠源，而不是量子密钥的中继点，实现基于纠缠的长距离量子密钥分发？
基于纠缠的量子密钥分发原理是，无论两个粒子相距多远，只要测量一个粒子的状态，另一个粒子的状态就会相应确定。“有了这个功能，我们可以直接生成一组量子密钥，并在异地用户之间安全共享，对传输的二进制信息进行加密。”潘建伟说。
安全通信的重要一步
奔向科学巅峰，研究团队在墨子量子卫星前期实验工作和技术积累的基础上，对地面望远镜的主光学和后光路进行了升级改造，实现了单边双、双边四重接收效率。
在技术的支持下，墨子量子卫星以每秒两对光子的速度与新疆乌鲁木齐南山站站和青海德令哈站两个地面站建立了光链路，并在距离地面1120多公里的两个站之间建立了量子纠缠，然后以每秒0.12比特的最终码率在有限的码长下生成密钥。
“在这个实验中，卫星作为量子纠缠的来源，只负责分配量子纠缠，并不掌握量子密钥的任何信息；用户之间的密钥直接通过量子纠缠产生，不需要卫星中转。”潘建伟表示，由于纠缠粒子的测量最终由用户进行，根据量子纠缠的特性，即使纠缠源由不可信方提供，只要最终在用户之间检测到量子纠缠，就可以生成安全密钥。这样就可以彻底解决量子通信源不完善带来的安全问题，最终保证量子通信的真正安全性。
对此，《自然》杂志的审稿人称赞这项工作，“不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议的实验实现是一个里程碑。”潘建伟坦言，刚发射墨子卫星时，他不敢想象自己能取得今天的成就，一路“边走边下蛋”，最终在科研上取得了这一重要突破。“但这一科研成果目前只是科学原理的示范，距离实际应用还有很长的路要走。”潘建伟说。
【量子科学实验卫星 1120公里 “墨子号”量子科学实验卫星再创佳绩】关于下一步的发展，他表示，随着量子纠缠源技术的最新发展，未来卫星上可以产生10亿对纠缠光子，密钥编码速率最终将提高到每秒几十位或每次传输几万位。到那时，安全量子通信的梦想将有望实现。
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