2016 年中国卫星“墨子号”的发射可能仅仅被视为已在地球轨道上运行的 2700 多个仪器中的一个。但是，专门用于量子信息科学的“墨子号”卫星，可以说代表了中国在物理学前沿大国新兴竞赛中的领先地位。这颗卫星是 中国科学技术大学物理学家潘建伟的心血结晶，它帮助他和他的同事们取得了几项突破性成果，这些成果正在将曾经深奥的量子密码学领域带入主流。潘的团队在 6 月 15 日发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，介绍了一种使用“墨子号”卫星进行安全量子消息传递的方法。这项成就使世界——或者至少是中国——朝着实现真正无法破解的全球通信又迈进了一步。
2017 年，该团队与奥地利的一组研究人员一起，利用该卫星在北京和维也纳之间进行了世界上首次量子加密虚拟远程会议。尽管这是一个巨大的里程碑，但这种方法并非万无一失，可以抵御黑客攻击。“墨子号”卫星本身就是弱点：卫星“知道”每个位置的光子序列或密钥，以及用于解密的组合密钥。如果间谍以某种方式仔细窃听其活动，则远程会议的完整性可能会受到损害。
为了克服这个问题，潘建伟及其同事的新演示确保了“墨子号”卫星“不知道”任何东西。诀窍是避免将卫星用作通信中继。相反，该团队仅依靠它同时传输一对密钥，以允许中国境内两个相距 1120 多公里的地面站建立直接链接。“我们不需要信任卫星，”潘说。“因此，这颗卫星可以由任何人制造——甚至由你的敌人制造。” 每个密钥都是两串纠缠光子对中的一串。量子物理定律规定，任何试图监视这种传输的行为都不可避免地会留下类似错误的足迹，接收站的接收者可以轻松检测到。
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这是首次使用卫星演示这项称为基于纠缠的量子密钥分发的技术。（2017 年的测试也分发了量子密钥。但是，它并没有同等程度地利用纠缠。）“当卫星发射时，这是一个巨大的里程碑，”安大略省威尔弗里德·劳里埃大学的物理学家 Shohini Ghose 说，他没有参与这项新研究。“但是[研究人员]没有达到实际使用纠缠进行密钥分发所需的错误检测率水平。”
错误检测率至关重要，因为区分真实错误和窃听产生的类似错误的足迹对于安全至关重要。此外，高错误率可能意味着两个地面站接收到的密钥彼此不同——这种情况会使安全通信变得不可能。为了提高其通信系统的保真度，科学家们专注于提高两个地面站中望远镜的光收集效率，这两个地面站监控着“墨子号”的传输——更新过滤系统和光学组件，以达到量子密钥分发所需的必要低错误率。
即使这是首次通过卫星执行基于纠缠的量子密钥分发，但已经有成功的地面实验。然而，在地面量子通信中，连接两个位置的光纤会吸收传输的光子，并且吸收率会随着距离的增加而增加。放置在光纤上的“可信节点”解密并重新加密密钥以延长密钥传输距离。但是，与 2017 年演示中的“墨子号”卫星一样，每个中介都拥有所有量子密钥，因此容易受到黑客攻击。尽管称为量子中继器的原型设备提供了更好的安全性，但该技术尚未先进到足以实用。相比之下，由于来自卫星的信号大部分时间都在真空中传播，因此光子损失不是主要问题——从而允许跨任意大距离的安全传输。
这种情况并不意味着基于卫星的系统天生就比基于地面的系统更好。“这有点像苹果和橙子，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家保罗·克维亚特说，他也没有参与这项研究。“卫星有一些问题。一是目前没有多少[量子研究]卫星在飞行。二是这些卫星并不总是停留在你想要的望远镜上方。” 依赖卫星从头顶经过意味着安全通信只能在一天中的某些时间进行。即便如此，该技术目前还需要其他因素，例如相当晴朗的天空，以确保地面站可以接收密钥。
“我认为说你试图决定购买这两种中的哪一种不是一个好策略，”克维亚特说。相反，他补充说，利用卫星连接的本地光纤网络的混合系统可能是最佳前进方向。
潘说，他的团队的下一个伟大任务是发射和运行一颗在地球表面上方 10,000 公里更高轨道上的量子卫星。他估计，该项目最早可能在五年内升空。从如此高的高度，卫星可以促进相距更远的地面站之间更频繁的通信。（相比之下，“墨子号”卫星仅在地球上方 500 公里的轨道上运行，将其对任何地面站的覆盖范围限制为每天两次。）有了高轨道量子卫星，“你可以在一整天内执行量子密钥分发。那么你就有更多的通信时间，”潘说。他还估计，新卫星将能够在相距 10,000 公里的两个地面站之间执行基于纠缠的量子密钥分发，比新的“墨子号”研究中的距离高出一个数量级。
随着中国在寻求牢不可破的量子通信方面突飞猛进，其他国家也在争先恐后地追赶。2018 年，美国宇航局启动了 国家空间量子实验室的开发，该实验室将使用国际空间站上的激光器来实现地面站之间的安全通信。在欧洲，由 10 亿欧元的量子旗舰项目资助的量子互联网联盟正处于启动阶段。另外，英国和新加坡的一个联合团队正在快速推进明年发射他们自己的量子通信卫星的工作。日本和印度也在开展此类工作。
那么，中国是否在安全量子互联网的竞赛中获胜了呢？潘说，现在知道还为时过早。“在量子互联网成为现实之前，我们需要更重要的成果，”他说。