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中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文臺、國家空間科學中心等，與奧地利科學院Anton Zeilinger研究組合作，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在中國和奧地利之間首次實現距離達7600公里的洲際量子密鑰分發，並利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。該成果標誌著“墨子號”已具備實現洲際量子保密通信的能力，為未來構建全球化量子通信網絡奠定了堅實基礎。相關成果以封面論文的形式發表在1月19日出版的國際權威學術期刊《物理評論快報》上。
圖1 洲際量子保密通信網絡示意圖
基於衛星平臺的量子通信是構建覆蓋全球量子通信網絡最為可行的手段。2011年底，中國科學院與奧地利科學院在北京簽署了“洲際量子通信”合作協議，計劃利用“墨子號”量子衛星在中國和奧地利之間實現洲際量子密鑰分發。此後，中奧聯合團隊在奧方地面站的技術指標、接口要求、方案設計、光學測試等方面開展密切合作。2016年4月到5月，中方團隊攜帶衛星有效載荷模擬器赴奧地利格拉茨地面站，進行聯調聯試工作，為實驗的開展做好了充分準備。“墨子號”量子衛星完成既定科學目標後，中奧聯合團隊隨即開展洲際量子密鑰分發實驗。
在實驗中，“墨子號”分別與河北興隆、奧地利格拉茨地面站進行了星地量子密鑰分發，通過指令控制衛星作為中繼，建立了興隆地面站與格拉茨地面站之間的共享密鑰，實驗中獲取共享密鑰量約800 kbits。基於共享密鑰，採用一次一密的加密方式，中奧聯合團隊在北京到維也納之間演示了圖片加密傳輸。結合高級加密標準AES-128協議，每秒更新一次種子密鑰，中奧聯合團隊建立了一套北京到維也納的加密視頻通信系統，並利用該系統成功舉行了75分鐘的中國科學院和奧地利科學院洲際量子保密視頻會議。“墨子號”衛星與不同國家和地區的地面站之間實現成功對接，表明了通過“墨子號”衛星與全球範圍任意地點進行量子通信的可行性與普適性，併為形成衛星量子通信國際技術標準奠定了基礎。
圖2 一次一密圖片數據加密傳輸示意圖
審稿人稱讚洲際量子保密通信網絡實驗是 “重大技術成果（major technological achievement）”，“任何不用衛星的方法（如正在發展的量子中繼器）可能至少需要10年的時間才能接近這個實驗的結果（It will likely be at least a decade before any non-satellite approach (such as a quantum repeater) can come close to the reported result）”。該成果被選為《物理評論快報》編輯推薦（Editors’Suggestion），並被美國物理學會下屬《物理》雜誌以“焦點故事（Focus story）”進行報道。美國物理學會還專門為該成果向全世界新聞媒體發佈了題為“‘墨子號’量子衛星使洲際量子通信成為現實（Real-world intercontinental quantum communications enabled by the Micius satellite）”的新聞稿。
該工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持。
論文鏈接：
Sheng-Kai Liao et al. Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network, Phys. Rev. Lett. 120, 030501 (2018).
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.030501
封面圖片鏈接： https://journals.aps.org/prl/covers/120/3
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