大陸量子通訊再獲突破 白天遠距密鑰分發實驗成功

天境傳媒 記者 許玉青 臺北 報導(責任編輯 郭玫蘭)
兩岸國際科技IndustryTechnology兩岸國際產業科技2017-07-26
大陸完成全球首次「白天遠距離(53km)自由空間量子密鑰分發」實驗。
大陸完成全球首次「白天遠距離(53km)自由空間量子密鑰分發」實驗。

近期,大陸「中國科學技術大學」組成的研究小組,在國際上首次成功實現了白天遠距離(53km)自由空間量子密鑰分發,通過地基實驗在信道損耗和噪聲水平方面有效驗證了未來構建基於量子星座的星地、星間量子通信網絡的可行性。國際權威學術期刊「自然·光子學」並於日前發表了該項成果。

基於衛星平台的量子通信是構建全球量子通信網絡最為可行的手段,世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」目前已經在國際上成功實現了首次星地量子通信,為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究奠定了技術基礎。但是由於陽光噪聲的影響,「墨子號」衛星只能在夜晚工作,而且至少需三天才能完成全球範圍內地面站點的覆蓋。

為提高衛星量子通信實用化水平,可行的途徑是構建由多顆低軌道衛星或高軌道衛星組成的量子星座,建立覆蓋全球的實時量子通信網絡。構建量子星座需突破兩個技術難題:一是通信距離增加會導致鏈路損耗增大,二是衛星軌道升高會顯著增大被太陽光照射的概率。

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為抑制白天陽光背景噪聲,大陸的研究團隊近期從三方面發展關鍵技術,他們採用1550nm波段光子開展實驗,優化光學系統,將噪聲降低超過一個數量級,並發展頻率上轉換單光子探測技術、自由空間光束單模光縴耦合技術,降低噪聲約四個數量級。

研究小組在相距53公里的兩點間完成了白天陽光背景下的量子密鑰分發實驗,實驗結果驗證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發的可行性,為下一步構建量子星座打下了堅實的技術基礎。

「自然·光子學」審稿人評價該成果「應對了白天自由空間量子密鑰分發的一個重要挑戰」,並盛讚這是一項卓越的成就。

量子密鑰分發可以為分隔兩地的用户提供無條件安全的共享密鑰。從1984年第一個量子密鑰分發協議(BB84協議)提出以來。量子密鑰分發雖在理論上具有無條件安全性,但由於原始方案要求使用理想的單光子源和單光子探測器,在現實條件下很難實現,這導致現實的量子密鑰分發系統可能存在各種安全隱患。

在量子通訊技術上,大陸一向執世界牛耳,其中量子密鑰分發是以量子物理與信息學為基礎,被認為是安全性最高的加密方式。

大陸量子通訊技術執世界牛耳。
大陸量子通訊技術執世界牛耳。

這項技術的突破,是由中國科大院士潘建偉及其同事張強、陳騰雲與清華大學馬雄峰等組成的聯合研究小組。他們利用與美國斯坦福大學聯合開發的高效低噪聲上轉換單光子探測器,在國際上首次實現了測量器件無關的量子密鑰分發,成功解決了現實環境中單光子探測系統易被駭客攻擊的安全隱患,提高了現實量子密鑰分發系統的安全性。

量子密鑰分發雖在理論上具有無條件安全性,但由於原始方案要求使用理想的單光子源和單光子探測器,在現實條件下很難實現,這導致現實中的量子密鑰分發系統可能存在各種安全隱患。

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2007年,潘建偉小組在國際上首次實現百公里量級的誘騙態量子密鑰分發,成功解決了非理想單光子源帶來的安全漏洞,但隨後探測器的不完美性成為「量子駭客」主要攻擊點,國際上多個小組提出了「時間位移攻擊」、「死時間攻擊」和「強光致盲攻擊」等針對探測系統的攻擊方案。雖然所有已知的量子駭客攻擊均可以通過對現有量子密碼系統的適當改造加以防禦,但在理論上,安全隱患仍然存在。

2016年,大陸首次實現超過400公里抵禦量子駭客攻擊的測量設備無關量子密鑰分發。
2016年,大陸首次實現超過400公里抵禦量子駭客攻擊的測量設備無關量子密鑰分發。

基於這一構想,潘建偉小組發展了獨立激光光源的干涉技術,並與美國斯坦福大學聯合開發了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器——基於周期極化鈮酸鋰波導的上轉換探測器。在此基礎上,結合清華大學馬雄峰教授的理論分析,在世界上首次實現了測量設備無關的安全量子密鑰分發,該實驗先天免疫於任何針對探測系統的攻擊,完美解決了探測系統的安全隱患問題。另外,該實驗系統兼顧採用誘騙態方案,保證了非理想光源系統的安全性。

2016年11月,上述團隊與清華大學王向斌以及中科院上海微系統所、濟南量子技術研究院等單位科研人員合作,在國際上首次實現超過400公里抵禦量子駭客攻擊的測量設備無關量子密鑰分發,該成果極大地推動了兼顧安全和實用的遠距離光縴量子通信的發展。

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