2016 年中國衛星“墨子號”的發射可能僅僅被視為已在地球軌道上執行的 2700 多個儀器中的一個。但是，專門用於量子資訊科學的“墨子號”衛星，可以說代表了中國在物理學前沿大國新興競賽中的領先地位。這顆衛星是 中國科學技術大學物理學家潘建偉的心血結晶，它幫助他和他的同事們取得了幾項突破性成果，這些成果正在將曾經深奧的量子密碼學領域帶入主流。潘的團隊在 6 月 15 日發表在《自然》雜誌上的一篇新論文中，介紹了一種使用“墨子號”衛星進行安全量子訊息傳遞的方法。這項成就使世界——或者至少是中國——朝著實現真正無法破解的全球通訊又邁進了一步。
2017 年，該團隊與奧地利的一組研究人員一起，利用該衛星在北京和維也納之間進行了世界上首次量子加密虛擬遠端會議。儘管這是一個巨大的里程碑，但這種方法並非萬無一失，可以抵禦駭客攻擊。“墨子號”衛星本身就是弱點：衛星“知道”每個位置的光子序列或金鑰，以及用於解密的組合金鑰。如果間諜以某種方式仔細竊聽其活動，則遠端會議的完整性可能會受到損害。
為了克服這個問題，潘建偉及其同事的新演示確保了“墨子號”衛星“不知道”任何東西。訣竅是避免將衛星用作通訊中繼。相反，該團隊僅依靠它同時傳輸一對金鑰，以允許中國境內兩個相距 1120 多公里的地面站建立直接連結。“我們不需要信任衛星，”潘說。“因此，這顆衛星可以由任何人制造——甚至由你的敵人制造。” 每個金鑰都是兩串糾纏光子對中的一串。量子物理定律規定，任何試圖監視這種傳輸的行為都不可避免地會留下類似錯誤的足跡，接收站的接收者可以輕鬆檢測到。
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這是首次使用衛星演示這項稱為基於糾纏的量子金鑰分發的技術。（2017 年的測試也分發了量子金鑰。但是，它並沒有同等程度地利用糾纏。）“當衛星發射時，這是一個巨大的里程碑，”安大略省威爾弗裡德·勞裡埃大學的物理學家 Shohini Ghose 說，他沒有參與這項新研究。“但是[研究人員]沒有達到實際使用糾纏進行金鑰分發所需的錯誤檢測率水平。”
錯誤檢測率至關重要，因為區分真實錯誤和竊聽產生的類似錯誤的足跡對於安全至關重要。此外，高錯誤率可能意味著兩個地面站接收到的金鑰彼此不同——這種情況會使安全通訊變得不可能。為了提高其通訊系統的保真度，科學家們專注於提高兩個地面站中望遠鏡的光收集效率，這兩個地面站監控著“墨子號”的傳輸——更新過濾系統和光學元件，以達到量子金鑰分發所需的必要低錯誤率。
即使這是首次透過衛星執行基於糾纏的量子金鑰分發，但已經有成功的地面實驗。然而，在地面量子通訊中，連線兩個位置的光纖會吸收傳輸的光子，並且吸收率會隨著距離的增加而增加。放置在光纖上的“可信節點”解密並重新加密金鑰以延長金鑰傳輸距離。但是，與 2017 年演示中的“墨子號”衛星一樣，每個中介都擁有所有量子金鑰，因此容易受到駭客攻擊。儘管稱為量子中繼器的原型裝置提供了更好的安全性，但該技術尚未先進到足以實用。相比之下，由於來自衛星的訊號大部分時間都在真空中傳播，因此光子損失不是主要問題——從而允許跨任意大距離的安全傳輸。
這種情況並不意味著基於衛星的系統天生就比基於地面的系統更好。“這有點像蘋果和橙子，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的物理學家保羅·克維亞特說，他也沒有參與這項研究。“衛星有一些問題。一是目前沒有多少[量子研究]衛星在飛行。二是這些衛星並不總是停留在你想要的望遠鏡上方。” 依賴衛星從頭頂經過意味著安全通訊只能在一天中的某些時間進行。即便如此，該技術目前還需要其他因素，例如相當晴朗的天空，以確保地面站可以接收金鑰。
“我認為說你試圖決定購買這兩種中的哪一種不是一個好策略，”克維亞特說。相反，他補充說，利用衛星連線的本地光纖網路的混合系統可能是最佳前進方向。
潘說，他的團隊的下一個偉大任務是發射和執行一顆在地球表面上方 10,000 公里更高軌道上的量子衛星。他估計，該專案最早可能在五年內升空。從如此高的高度，衛星可以促進相距更遠的地面站之間更頻繁的通訊。（相比之下，“墨子號”衛星僅在地球上方 500 公里的軌道上執行，將其對任何地面站的覆蓋範圍限制為每天兩次。）有了高軌道量子衛星，“你可以在一整天內執行量子金鑰分發。那麼你就有更多的通訊時間，”潘說。他還估計，新衛星將能夠在相距 10,000 公里的兩個地面站之間執行基於糾纏的量子金鑰分發，比新的“墨子號”研究中的距離高出一個數量級。
隨著中國在尋求牢不可破的量子通訊方面突飛猛進，其他國家也在爭先恐後地追趕。2018 年，美國宇航局啟動了 國家空間量子實驗室的開發，該實驗室將使用國際空間站上的雷射器來實現地面站之間的安全通訊。在歐洲，由 10 億歐元的量子旗艦專案資助的量子網際網路聯盟正處於啟動階段。另外，英國和新加坡的一個聯合團隊正在快速推進明年發射他們自己的量子通訊衛星的工作。日本和印度也在開展此類工作。
那麼，中國是否在安全量子網際網路的競賽中獲勝了呢？潘說，現在知道還為時過早。“在量子網際網路成為現實之前，我們需要更重要的成果，”他說。