从中国到南非，中国团队实现 “量子加密”照片12900公里传输

2022年发射的“济南一号”（Jinan-1）卫星只有冰柜大小，图摄于发射前。来源：Y. Li et al./Nature

导读：

 中国团队创造了将量子加密图像传输12900公里的纪录。

Nature Portfolio | 来源

研究人员用一种低成本、低重量的“微纳卫星”（microsatellite），将一个加密密钥从中国传输至近1.3万公里外的南非，打破了长距离量子通信的新纪录。

该卫星成功将进入特殊量子态的激光脉冲，从北京一楼顶传输到开普敦近郊斯坦陵布什大学的楼顶。这些脉冲形成的量子密钥可以给两张图片加密——一张是中国的长城，另一张是斯坦陵布什大学的校园。这一创举让名为量子密钥分发（QKD）的加密技术又前进了一步——今后或能在无论相距多远的两地间传输超安全信息。该研究3月19日发表于《自然》[1]。

这颗卫星名为“济南一号”（Jinan-1），其质量只有其前身、2016年发射的 “墨子号”（Micius）的1/10，成本只有其1/45，效率却大大提升，研究带头人、位于合肥的中国科学技术大学的量子物理学家潘建伟表示。

潘建伟团队将地面站的重量从13吨降至100千克。他说：“我们希望这项技术能从原理验证上升为真正实用。”潘建伟还表示，他的团队正在与总部位于北京的中国电信合作，在2026年再发射四颗商用微纳卫星。

“这是建设全球量子密钥分发网络的又一个里程碑。”新加坡国立大学的量子物理学家Alexander Ling说道。这个卫星朝着实时部署这类加密技术迈出了巨大一步，量子物理学家、加拿大卡尔加里Qubo Consulting公司的联合创始人Katanya Kuntz说道。Qubo Consulting专门帮助其他公司使用量子技术。

研究人员用一个量子密钥给这两张图加密，随后将两张图从中国传输到南非。来源：中国科学技术大学

物理学家认为，未来的量子计算机能破解任何加密类型，但量子密钥分发这类技术能提供强大的保证，确保未来的量子计算机无法读取保密通信，Ling说道。

银行和政府已经在用量子密钥分发通过光纤传输密钥了。但这些光缆会吸收光子，限制了信号的传输距离。光通过空气传输时被吸收的速度比通过光缆传输时低很多，因此卫星或能作为中继站，在地球上几乎任意两地之间传输密钥。

量子加密技术背后的概念是，如果双方共享一个密钥，他们就能打乱信息，从而只有他们双方才能破译这个信息。

潘建伟的实验需要传输都处于“叠加态”的激光脉冲，即它们同时处于用1或0表示的两种量子态。通过比较发送方使用的设置与接收方用于测量这些脉冲的设置，双方就能获取一串测量后的 1或0，作为一把安全密钥。如果有人试图拦截信息，就会干扰这种量子态并产生噪音，提示密钥被盗。 

Kuntz说：“济南一号”的装配包含了“多项惊艳的技术创举”。Kuntz是“量子加密与科学卫星”（Quantum Encryption and Science Satellite）科学团队的一名成员，该卫星是加拿大航天局预计在明年发射的一颗量子密钥分发卫星。星地通信比使用之前的系统更快了，这能提升加密速度，她说。该团队还让某些卫星组件“身兼二职”，缩小了卫星的体积。比如只用一个设备来瞄准光束和控制卫星方向，潘建伟表示。

不过，与块头更大的前任相比，“济南一号”并不具备其所有能力。“济南一号”无法产生“纠缠”光子，纠缠光子实现的加密类型甚至能对卫星隐藏密钥。在当前系统中，“济南一号”处理该密钥，如果窃听者攻击该卫星就能发现密钥，Kuntz说。连接全球量子计算机的量子互联网也需要纠缠。将该技术小型化以实现纠缠的难度较大，但开发有这类设备的微纳卫星在未来“完全可行”，潘建伟表示。

全球目前约有十几个量子卫星准备发射，新加坡SpeQtral公司的联合创始人Ling说道。SpeQtral正在研发比“济南一号”更小更轻的量子密钥分发卫星。“该领域的投资和活力都在上扬，许多公司和机构开始探索构建全球量子密钥分发组网的可行性”。

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