“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

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矗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."）。

"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。

来源：中国科学院量子信息与量子科技创新研究院，科研部