由中国科学技术大学潘建伟教授领衔的中国科学院联合研究团队利用“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。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。
从天下地：绝对安全的“鸿雁传书”
信息安全是人类共同的追求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，只要是基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上就存在着被破译的可能。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更是与日俱增。
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。”潘建伟说。
量子的不可克隆性让其成为绝对安全的通信方式，但也让量子信号不能像经典通信一样通过复制被放大，再加上地面传输信号的损耗非常大，因此之前地面上的量子通信，最远距离不过百公里量级。
为了更好地利用这把“双刃剑”，实现安全、长距离、可实用化的量子通信，潘建伟等人将目光投向了外太空。
“墨子号”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。
实验结果显示，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300千比特的安全密钥，平均成码率可达1.1千比特每秒。“这些密钥足够我们加载很多数据，例如在新疆和兴隆两个地面站之间进行加密的量子视频通话。”潘建伟解释称。
中科院上海技术物理研究所研究员，量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星系统总指挥王建宇认为，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。“比如，将来我们可以进行量子卫星组网，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球；如果将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网互联，就可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。”
由地上天：通往未来的“任意门”
如果在北京工作的科学家要到上海去参加会议，有没有比飞机、火车更快的方式？如果未来人类要到太阳系以外旅行，但飞船飞得太慢怎么办？中国神话传说中的“顺风耳”、“千里眼”究竟能不能实现？
如果问一个小朋友这些问题，他也许会回答，用哆啦A梦的“任意门”。但现实世界真的能造出这样的“任意门”吗？潘建伟说，有可能。“墨子号”开展的地星量子隐形传态实验，证实了他的大胆想象。
量子隐形传态是量子通信的另一大重要内容，在理论上，利用量子纠缠的原理，人们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。
“墨子号”的量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式，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。
而根据测算，在同样长度的光纤中重复这一工作，则需要3800亿年才能观测到1个事例。
“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。”潘建伟说，“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。”
此次圆满完成的星地高速量子密钥分发实验和地星量子隐形传态实验，使得安全通信速率比传统技术提升万亿亿倍，为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的科学和技术基础，并向空间尺度的量子物理和量子引力的实验探索迈出了第一步。同时，也标志着我国量子通信领域的研究在国际上达到全面领先的优势地位。据悉，两项成果拟于8月10日同时在线发表于国际权威学术期刊《自然》杂志上。
