“墨子号”量子卫星实现星地量子密钥分发和地星量子隐形传态，圆满实现全部既定科学目标
“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态，至此圆满实现预先设定的全部三大科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。
中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空间科学中心等，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。
两项成果于北京时间8月10日凌晨1点同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继先前在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验的研究成果发表在《科学》杂志 Science 356, 1140 (2017) 之后，我国科学家利用“墨子号”量子卫星实现的空间量子物理研究另外两项重大突破。至此，“墨子号”量子卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标。
量子通信的研究内容之一是量子密钥分发。通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。
与经典通信不同，量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。
量子通信的另一重要内容是量子隐形传态，它利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身。远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。
量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是，这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加。由于量子不可克隆原理，单光子量子信息不能像经典通信那样被放大，这使得之前量子通信的世界纪录为百公里量级。根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。
利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。从本世纪初以来，该方向已成为了国际学术界激烈角逐的焦点。
潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年，潘建伟团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案，随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发，验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。
星地高速量子密钥分发是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收的方式，“墨子号”量子卫星过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1 kbps。
这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。
此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网（如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线）互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。
图1 星地量子密钥分发实验示意图
图 2 “墨子号”-兴隆地面站量子密钥分发实验现场图
为此，《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是 “令人钦佩的成就”（“an impressive achievement”）和“本领域的一个里程碑”（“it constitutes a milestone in the field”），并断言“毫无疑问将引起量子信息、空间科学等领域的科学家和普通大众的高度兴趣，并导致公众媒体极为广泛的报道”（“I have no doubt that it will attract the interest of scientists working in a variety of fields (including quantum information science and space science), the general public, and lead to very extensive media coverage”）。
地星量子隐形传态是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式， “墨子号”量子卫星过境时，与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年（宇宙年龄的20倍）才能观测到1个事例。这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。
图3 量子隐形传态实验示意图
图4 “墨子号”-阿里地面站量子隐形传态实验现场图
《自然》杂志审稿人称赞“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”（“These results represent an important breakthrough in the quest for quantum communications over long distances”）, “这个目标非常新颖并极具挑战性，它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”（“This goal is very challenging and new, and it represent a significant advancement of the realization of quantum communications schemes.”）。
文章的预印本在学术网站 arXiv.org 上公开后就受到国际科学媒体广泛关注，比如，自然新闻（Nature news）以“Quantum teleportation is even weirder than you think（量子隐形传态超乎想象的神秘）”为题进行了报道，BBC新闻分别以“First object teleported to Earth's orbit”和“Teleportation: Photon particles today, humans tomorrow?”为题进行了连续报道，英国《卫报》也以“Beam me up, Scotty! Scientists teleport photons into space”为题进行了相关报道，等等。
“墨子号”量子卫星全部三大既定科学目标的成功实现，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。
（中国科学院量子信息与量子科技创新研究院，中国科学技术大学）
本文经授权转载自“墨子沙龙”
论文基本信息
标题
Satellite-to-ground quantum key distribution
作者
Cheng-Zhi Peng, Jian-Yu Wang, Jian-Wei Pan et al.
期刊
Nature
日期
2017.8.9 (online)
DOI
10.1038/nature23655
链接
https://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature23655.html
摘要
Quantum key distribution (QKD) uses individual light quanta in quantum superposition states to guarantee unconditional communication security between distant parties. In practice, the achievable distance for QKD has been limited to a few hundred kilometres, owing to the channel loss of fibers or terrestrial free space that exponentially reduced the photon rate. Satellite-based QKD promises to establish a global-scale quantum network by exploiting the negligible photon loss and decoherence in the empty out space. Here we develop and launch a low-Earth-orbit satellite to implement decoy-state QKD with over kHz key rate from the satellite to ground over a distance of up to 1,200 km, which is up to 20 orders of magnitudes more efficient than that expected using an optical fiber (with 0.2 dB/km loss) of the same length. The establishment of a reliable and efficient space-to-ground link for faithful quantum state transmission paves the way to global-scale quantum networks.
标题
Ground-to-satellite quantum teleportation
作者
Cheng-Zhi Peng, Jian-Yu Wang, Jian-Wei Pan et al.
期刊
Nature
日期
2017.8.9 (Online)
DOI
10.1038/nature23675
链接
https://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature23675.html
摘要
An arbitrary unknown quantum state cannot be precisely measured or perfectly replicated. However, quantum teleportation allows faithful transfer of unknown quantum states from one object to another over long distance, without physical travelling of the object itself. Long-distance teleportation has been recognized as a fundamental element in protocols such as large-scale quantum networks and distributed quantum computation. However, the previous teleportation experiments between distant locations were limited to a distance of the order of 100 kilometers, owing to photon loss in optical fibres or terrestrial free-space channels. An outstanding open challenge for a global-scale ‘quantum internet’ is to significantly extend the range for teleportation. A promising solution to this problem is exploiting satellite platform and space-based link, which can conveniently connect two remote points on the Earth with greatly reduced channel loss because most of the photons’ propagation path is in empty space. Here we report the first quantum teleportation of independent single-photon qubits from a ground observatory to a low-Earth-orbit satellite—through an up-link channel—with a distance of up to 1,400 km. To optimize the link efficiency and overcome the atmospheric turbulence in the up-link, a serie
54 28035 54 15289 0 0 2196 0 0:00:12 0:00:06 0:00:06 2815s of techniques are developed, including a compact ultra-bright source of multi-photon entanglement, narrow beam divergence, high-bandwidth and high-accuracy acquiring, pointing and tracking (APT). We demonstrate successful quantum teleportation for six input states in mutually unbiased bases with an average fidelity of 0.80 ± 0.01, well above the classical limit. This work establishes the first ground-to-satellite up-link for faithful and ultra-long-distance quantum teleportation, an essential step towards global-scale quantum internet.