對于量子通訊技術(shù)的實際應(yīng)用，潘建偉曾強調(diào)這將分三步走：一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通訊網(wǎng)路；二是通過量子中繼器實現(xiàn)城際量子通訊網(wǎng)路；三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通訊網(wǎng)路。
與滬寧干線采用的中繼器方案不同，“墨子號”此次實現(xiàn)的衛(wèi)星QKD，借助衛(wèi)星在月球上的兩個地面站之間直接構(gòu)建起安全聯(lián)接，巧妙規(guī)避了對中繼器的需求：團隊使用了糾纏光子，雖然相隔遙遠(yuǎn)，糾纏光子的聯(lián)接方法能讓它們量子特點的檢測結(jié)果完美關(guān)聯(lián)，因而秘鑰的形成過程不再須要衛(wèi)星，哪怕衛(wèi)星遭到功擊者控制也能確保密鑰的安全。
對于這兩種技術(shù)路線的選擇，潘建偉對我們進一步解釋道：“光子在城市中的光纖中耗損較少，比如兩個城市之間200公里的距離，實際上用不到糾纏的方案，并且在廣域的場景中，最理想的解決方案將基于糾纏。這就好似我們老話所說‘邊走邊孵蛋’，階段性地一步一步向前走”。
圖丨“墨子號”曾登上刊物封面
高安全性的實現(xiàn)
按照介紹，使用可信中繼可以有效拓展量子通訊的距離，例如世界首列量子保密通訊滬寧干線通過32個中繼節(jié)點，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網(wǎng)路；而借助量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”作為中繼，在自由空間信道進一步拓展到了7600公里的洲際距離。但是，雖然可信中繼將傳統(tǒng)通訊方法中整條線路的安全風(fēng)險限制在有限個中繼節(jié)點范圍，中繼節(jié)點的安全一直須要得到人為保障。
研究的一個重要內(nèi)容正在于實現(xiàn)秘鑰分發(fā)的高安全性。這么，衛(wèi)星QKD的高安全性具體又是怎樣實現(xiàn)？
按照論文，團隊通過對針對量子密鑰分發(fā)的“側(cè)信道功擊（Side-）”研究，提出設(shè)計思路并得出了非常可靠的推論。
其中提及的側(cè)信道功擊是現(xiàn)在密碼學(xué)中令學(xué)者們都非常頭痛的問題，這是一種針對加密電子設(shè)備在運行過程中的時間消耗、功率消耗或電磁幅射之類的側(cè)信道信息泄漏，而對加密設(shè)備進行功擊的方式被稱為邊信道功擊。
這類新型功擊的有效性遠(yuǎn)低于密碼剖析的物理方式，因而給密碼設(shè)備帶來了嚴(yán)重的恐嚇。
簡單而言就是能否繞開密碼學(xué)中的物理編碼方式，從“旁門左道”來剖析密碼的構(gòu)成，比如通過確切捕捉計算機CPU解碼加密信息時的高頻聲音來提取秘鑰的邊信道功擊。
圖丨接收器發(fā)出的激光束將會幫助與衛(wèi)星與地面站構(gòu)建聯(lián)接（來源：麻省理工科技評論JOINT）
研究團隊在地面站監(jiān)測端有針對性地設(shè)置了級聯(lián)的多自由度檢波裝置，就能對頻度、空間和時序等模式進行檢波，還集成了測量功擊的裝置，比如測量器相關(guān)功擊、基于波長的功擊、空間模式功擊及其他種類的邊信道功擊。
據(jù)悉，研究團隊還搭建了監(jiān)控電路（），只要發(fā)覺邊信道功擊，監(jiān)控電路會發(fā)出報案信息。
實驗結(jié)果顯示，這樣一套量子糾纏秘鑰分發(fā)系統(tǒng)對于實際的元件來說是非常安全的。
衛(wèi)星量子系統(tǒng)正邁向大型化
事實上，在此之前，上千公里距離的糾纏分發(fā)也曾基于“墨子號”衛(wèi)星實現(xiàn)過。
并且傳輸效率低和誤分辨率高，造成其還不能用以QKD。而這一次研究團隊降低了它們的傳輸效率，減少了誤分辨率，足以通過糾纏的形式傳輸量子秘鑰。技術(shù)與理論的一拍即合量子糾纏通訊，成就了這樣成功的應(yīng)用。
圖丨1.2米地面接收望遠(yuǎn)鏡（來源：中國科技學(xué)院）
其中，兩臺專門接收這類量子訊號的望遠(yuǎn)鏡位于于中國的伊寧和南山，相距1120km。
“墨子號”衛(wèi)星處于“太陽同步軌道”上，并搭載了特殊設(shè)計的光路，在每晚晚上經(jīng)過兩個地面觀測站時，向地面觀測站發(fā)射糾纏光子對，完成秘鑰分發(fā)。為了提高訊號聯(lián)接的傳輸效率，兩個地面站非常新建了半徑為1.2m的觀測望遠(yuǎn)鏡，專用于量子糾纏秘鑰分發(fā)的觀測。為此，相較于之前的實驗，信息的分發(fā)率和雜訊都得到極大的提高。
“我們在發(fā)射衛(wèi)星的時侯，其實沒敢想衛(wèi)星的性能那么好，才能實現(xiàn)高安全性的基于糾纏的QKD療效"量子糾纏通訊，潘建偉說到。
圖丨站在接收器前方的中國量子事業(yè)帶頭人潘建偉。該接收器用于傳輸來自“墨子號”衛(wèi)星的超級加密訊號（來源：麻省理工科技評論AND）
這個過程中，衛(wèi)星和地面接收系統(tǒng)也在走向大型化。
研究團隊介紹稱，基于該研究成果發(fā)展上去的高效星地鏈路搜集技術(shù)，可以將量子衛(wèi)星荷載重量由現(xiàn)有的幾百公斤增加到幾十公斤以下，同時將地面接收系統(tǒng)的重量由現(xiàn)有的10余噸急劇減少到100公斤左右，實現(xiàn)接收系統(tǒng)的大型化、可搬運，為將來衛(wèi)星量子通訊的規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。
潘建偉也表示，在急劇增加量子通訊衛(wèi)星的研發(fā)和發(fā)射成本，為將來衛(wèi)星量子通訊的規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用上，團隊早已開始新的規(guī)劃。