题目涉及到三个名词术语，“量子密钥分发”及其两个定语“测量设备无关”和“自由空间”。我们先解释一下后两个名词术语。

1、为什么要在自由空间做量子通信？

      最直接的原因，在一些重要的应用场景下，无光缆可用，你只能使用无线通信。光纤量子通信与自由空间量子通信，其实就是有线通信与无线通信，其应用终端就象电话座机与手机的关系那样。

      更为重要的，是其潜在的长距离应用。量子信号不能像经典通信那样被放大，通道损耗从根上限制了量子通信距离。目前地球上量子通信最远距离为509公里，也许，在获得进一步技术进步后，这距离可能再增长一两百公里，基本上就到天花板了。

      随着“墨子号”量子科学实验卫星的成功运行，基于卫星平台和地面光纤网相结合的量子通信已成为构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段。由于外太空几乎是真空，光信号损耗非常小，因此通过卫星平台辅助可以极大扩展量子通信距离。只要能突破大气有效厚度距离，则以卫星为结点的量子通信距离可以做到千公里以上，几乎不受限。基于墨子号卫星平台，中国已经实现了千公里以上量子通信。

2、什么是测量设备无关？

      这是量子密钥分发中一类更高级别的安全性。英文叫measurement-device-independent, 简称MDI. 它利用远程独立光源干涉，完全消除了探测端的所有安全漏洞，无需对测量端的量子设备进行任何安全性假设，被认为是各种量子密钥分发协议中的最佳候选协议之一。如果把探测设备放在卫星上，即便整个卫星平台被敌方控制，地面用户间通过卫星平台辅助的量子密钥分发依然是安全的。（听起来难以置信的神奇，却正是量子的威力所在！）

3、难点在哪里，如何解决？

      2016年的4強度优化协议理论文章【1】已经解决了原始的测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）协议成码率过低和对通道要求过于苛刻的理论问题, 本实验现在面临的真正难点是技术难题，在于自由空间通道本身：由于自由空间的大气湍流破坏了空间模式，在进行干涉测量前需要用单模光纤进行空间滤波，由此带来的耦合效率低下和强度涨落使得光纤MDI-QKD系统中的时钟传递、光频比对方法难以直接应用于自由空间信道。

      为克服前述的自由空间信道的技术困难，实验团队进行了长期技术攻关，实现了多个技术突破。研究团队开发了一种基于随机梯度下降算法的具有抵抗强湍流能力的自适应光学系统，使双链路总信道效率提升约4~10倍，有效克服了耦合效率低下的问题。为解决光强的快速涨落问题，实验团队在三个实验点分别使用了超稳晶振作为独立时钟源（Allen方差8×10-14），并通过测量脉冲到达时间实时反馈，得到32 ps的独立时钟同步精度；在两个编码端分别使用HCN分子吸收池校准光频，使得干涉光的频率差小于10 MHz，从而实现了远距离独立激光器之间的锁频。

4、取得了什么样的实验结果？

      利用四强度优化协议，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、张强等与清华大学王向斌，中科院上海微系统所尤立星等人合作，实现了国际上第一个自由空间MDI-QKD实验。在上海城市大气信道中，用户端距离测量站分别为7公里和11公里，达到了大气有效厚度距离。实验结果于2020年12月23日以编辑推荐（Editors' Suggestion）的形式在线发表在《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020)）。美国物理学会Physics网站以“量子物理保证无线通信安全 ”（Securing a Wireless Link with Quantum Physics）为题专门对该工作做了报道【2】。该工作第一作者为曹原，李宇怀和杨奎星。

注释：

【1】该协议可以大幅提高成码率和距离。中科大等单位的联合团队在2016年采用这个4强度优化协议，大幅提升了MDI-QKD安全成码率与距离，实现了404公里光纤MDI-QKD，创造了当时地面量子通信最远安全距离。该实验结果甚至超越了理想光源下的BB84成码率极限。详见：PRL117, 190501 (2016). 另外，同一实验团队采用同一理论小组的发送-不发送协议，实现了光纤量子通信中新的最远安全距离，509公里，详见：https://phys.org/news/2020-03-fiber-qkd-transmission-distance-km.html

【2】https://physics.aps.org/articles/v13/s164

【3】本文参考了中国科技大学新闻中心，美国物理学会Physics杂志发布的新闻资料，以及其他相关资料。图片来自美国物理学会杂志Physics.