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服务了3年10个月的墨子量子通信实验卫星再次进入世界顶级学术期刊《自然》。它将一对纠缠光子分布到1120公里外的青海德令哈和新疆南山。这两个地方通过巧妙的协议建立了一个量子密钥，它们的安全性由量子力学理论保证。
事实上，早在2018年，“墨子”就已经宣布在北京和维也纳之间进行第一次量子密钥分发，距离为7600公里。然而，当时，这颗卫星需要分别与北京和维也纳建立一把钥匙。这颗卫星本身就像一个中继站，是“量子魔法”的断点。
6月15日，《墨子》首席科学家、中国科技大学教授潘剑伟在接受《澎湃新闻》等媒体采访时表示，由于卫星只负责分发纠缠光源，不知道密钥的内容，即使卫星被其他方控制，它也能生成安全密钥。
这是无中继量子密钥分发距离首次超过1000公里，可以说是迄今为止最安全的远程量子密码。
量子安全通信理论的创始人之一吉尔·布拉萨尔评论道:“这将最终实现数千年来所有密码学家的梦想。”
“量子魔法”断点
如果由“0”和“1”组成的一串数字被加载到量子(通常是光子)的量子态上，就形成了量子密钥。未知的量子态不能被精确地复制，一旦被测量，就会被破坏。因此，一旦有人窃取并试图自己读取量子密钥，它肯定会被发现。只有使用双方同意的“开启方法”才能获得正确的关键信息。
尽管量子不可克隆定理保证了量子密钥分配(QKD)技术在被窃听时会留下痕迹，但它也带来了工程上的难题，无法像电信号那样得到增强。通过长距离光纤传输的光子将不可避免地造成损失。
再加上环境噪声的影响，目前现实世界中两个地面用户之间直接通过光纤分配量子密钥，最大距离只能达到100公里左右。
因此，世界上第一条量子保密通信干线——“京沪”干线，全长约2000公里，沿途设置了32个中继站进行“中继”。
这些中继站之间的联系是由量子力学理论来保证的，但是中继站本身没有量子力学理论，而是依靠人工保护。尽管这种方法将传统安全通信中整条线路的安全风险大大降低到这些中继节点的范围内，但它仍然留下了一个可能的安全“断点”。如果卫星被用作中继站，无论地面上的两点相距多远，损失只发生在地面站和卫星之间，即大气厚度为10公里，然后几乎是真空。然而，卫星中继仅将“量子断点”减少到一个，仍然需要人类保护。
基于纠缠的QKD
在提出了最初的量子密钥分配协议BB84之后，埃克特在1991年提出了量子密钥分配协议E91的纠缠版本，并随后由Brassard等人在1992年改进以形成BBM92协议。利用超越距离的神奇量子纠缠效应，无需中继的长距离量子密钥分发成为可能。
量子纠缠被爱因斯坦称为“幽灵般的心灵感应”。无论纠缠态中的两个量子相距多远，都有一种相关性，其中一个量子的状态会改变(例如，人们测量它)，而另一个量子的状态会瞬间改变。
当墨子卫星从0+以上通过时，德令哈和南山都有新造的特殊望远镜来接收纠缠光子。只要使用相同的“开启方法”，如果一方读取“0”，而另一方肯定会读取“1”，那么一方可以通过交换“0”和“1”来共享一串量子密钥。然而，一旦双方交流了部分密钥并发现了许多错误，这就是窃听者留下的痕迹。在这个过程中，卫星只负责分配纠缠，而不参与量子密钥本身的生成。因此，即使卫星被其他方控制，只要地面双方都能够验证纠缠的存在，密钥的安全性就可以得到保证。
“墨子”超越自我
虽然有现成的理论共识，但墨子要实现高效、准确的光子传输和接收并不容易。
墨子项目执行副总设计师王建宇表示，近几年来，通过技术进步，卫星在空中的性能提高了一个数量级，地面站的接收效率提高了四倍，实际能力提高了几十倍，“天地”倍增。
具体来说，为了优化接收效率，两个地面站建造了专门为量子纠缠分布实验设计的1.2米望远镜。
通过这些改进，实验结果违反贝尔不等式超过8个标准差(以前约为4个标准差)，这表明光子纠缠没有被破坏。双光子分布的链路效率提高了约4倍，误码率从8.1%降低到4.5%，最终密钥生成率为0.43比特/秒。
这是墨子超越自我和升级对抗怪物的又一次机会。
潘建伟说，当卫星最初被设计时，只有卫星和地球之间的量子密钥分配才得以实现。为了充分发挥卫星的价值，后来又扩展到卫星与地球之间的双向量子纠缠分布和量子隐形传态的探索。
今天，“墨子”已经超额完成了基于纠缠的1000公里量子密钥分发，其性能仍然很好。潘建伟说，这个科学实验只是从0到1的理论验证。每条轨道只能传送几十个按键，没有实用价值。
他透露，未来有望发射轨道更高的量子通信卫星。与地面站上的“墨子”不同，高轨道卫星有能力全天进行警戒。经过六到七年的努力，基于纠缠的量子密钥分发在没有中继卫星的情况下可能具有初步的实用价值，并与地面的量子保密通信光纤网络形成协调。(边肖余汉琦)
