中国研究人员展示了功能性 QKD 终端，其质量仅为之前系统的一半，在空对地量子密钥分发 (QKD) 领域取得了一个重要里程碑。在天宫二号空间实验室将新终端送入太空绕地球运行后，科学家们 合肥国家实验室 和 中国科技大学 中国科学技术大学（USTC）在19年23月2018日至13年2019月15日期间进行了一系列XNUMX项实验，在XNUMX天内成功地在卫星和地面四个站之间传输量子密钥。
与其他 QKD 终端一样，本研究中的设备依靠光的量子行为来创建保护数据所需的加密密钥。 “QKD 采用光的基本单位——单光子——对两个遥远用户之间的信息进行编码，”中国科学技术大学物理学家、该研究论文的合著者潘建伟解释道。 。光学。 “例如，发射器可以随机编码有关光子偏振状态的信息，例如水平、垂直、线性 +45° 或线性 –45°。在接收器处，可以执行类似的偏振态解码，并且可以获得原始密钥。经过纠错和隐私放大后，就可以提取出最终的安全密钥。”
面向未来的安全
新的瘦身版QKD终端对于安全性要求高的用户来说是个好消息。尽管传统的公钥密码学是目前最好的加密手段之一，但它依赖于经典计算机根本无法在合理的时间内解决某些问题的事实。然而，这些棘手的数学函数只有在黑客使用经典计算机时才起作用。正如潘指出的那样，未来的量子计算机可以简单地使用 Shor的算法 破解当前最好的密码学方法。
如果量子计算机可以破解经典加密，一种可能的解决方案是在适用的情况下使用量子加密。 “QKD 为密钥交换问题提供了一种信息安全的解决方案，”潘说。 “量子不可克隆定理表明，未知的量子态不能被可靠地克隆。如果窃听者试图窃听 QKD，她将不可避免地对量子信号引入干扰，然后被 QKD 用户检测到。”
保罗·奎亚特美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学家（未参与这项研究）补充说，任何针对 QKD 的攻击都必须在传输时进行。 “从这个意义上说，QKD 有时被描述为‘面向未来’——对手 10 年后发展出什么样的计算能力并不重要（这对于公钥密码学来说很重要）；重要的是窃听者在量子密钥最初分发时所拥有的能力。”Kwiat 说道。 领导量子通信部门 at Q-下一个，一个专注于量子信息挑战的研究联盟。
日光限制
虽然之前的 QKD 工作是在墨子号卫星上使用不同的设备进行的，但在最新的研究中，研究人员能够通过将 QKD 有效载荷与控制电子设备、光学器件和望远镜等其他系统集成来减少终端的质量。这是向前迈出的一大步，但合肥-中国科大团队的成员尚未完成。他们在论文中提到的一个挑战是他们目前无法在白天运行终端。这是因为阳光的散射产生的背景噪音比夜间实验中看到的噪音高出五到六个数量级。也就是说，潘和他的同事正在研究波长优化、光谱滤波和空间滤波等技术，以实现日光 QKD 操作。
独立于设备的 QKD 拉近了不可破解的量子互联网
潘表示，该团队有宏伟的计划，希望最终能够创建一个全球性的星地一体化量子网络，为全球用户提供服务。这项工作取得成功后，团队将开始建设由多颗低轨卫星、一颗中高轨卫星和地面光纤QKD网络组成的量子卫星星座。潘说：“我们认为我们的工作将为如何构建最佳卫星星座这一有吸引力的研究领域做出贡献。”
