这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的学术报告：
作者与机构
该研究由Juan Yin、Yu-Huai Li、Sheng-Kai Liao、Meng Yang、Yuan Cao、Liang Zhang、Ji-Gang Ren、Wen-Qi Cai、Wei-Yue Liu、Shuang-Lin Li、Rong Shu、Yong-Mei Huang、Lei Deng、Li Li、Qiang Zhang、Nai-Le Liu、Yu-Ao Chen、Chao-Yang Lu、Xiang-Bin Wang、Feihu Xu、Jian-Yu Wang、Cheng-Zhi Peng、Artur K. Ekert和Jian-Wei Pan等作者共同完成。研究团队来自中国科学技术大学、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院成都光电研究所、中国科学院上海微卫星工程中心、牛津大学数学研究所和新加坡国立大学量子技术中心等机构。该研究于2020年6月25日发表在《Nature》期刊上。
学术背景
该研究属于量子通信领域，具体涉及基于纠缠的量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）。QKD是一种理论上安全的密钥共享方法，但实际应用中，其传输距离受到光纤损耗和信号衰减的限制。此前，实验室中的QKD最远传输距离为404公里，而通过卫星实现的点对点QKD最远距离为1,200公里。然而，地面用户之间的QKD实际应用距离仅为约100公里。为了扩展传输距离，通常需要使用可信中继，但这会引入安全风险。基于纠缠的QKD具有源独立性安全，可以避免这一问题，但其长距离分发技术尚未成熟。本研究的目标是通过卫星实现基于纠缠的QKD，并在地面站之间实现1,120公里的安全密钥分发。
研究流程
1. 实验设计与设备开发
研究团队设计并开发了高精度望远镜和后续光学系统，以提高链路效率。地面接收站位于中国青海省的德令哈（海拔3,153米）和新疆省的南山（海拔2,028米），两地相距1,120公里。望远镜直径为1.2米，专门为纠缠分发实验设计，所有光学元件均保持偏振。卫星搭载了一个紧凑的纠缠光子源，重23.8公斤，采用周期性极化KTiOPO4晶体，在Sagnac干涉仪中通过405纳米连续波激光泵浦，生成810纳米的偏振纠缠光子对。光子通过单模光纤传输到卫星上的两个独立发射器，发射器的远场发散角约为10微弧度。
光子分发与接收
光子通过卫星的双向下行链路分发到地面站。每个地面站的后续光学系统安装在旋转臂上，与望远镜同步旋转。光子通过一系列光学元件（如分束器、半波片和偏振分束器）进行偏振分析，随机选择测量基（Z基和X基）。光子通过多模光纤收集，并由四个单光子探测器（SPD）检测。研究团队开发了多级捕获、指向和跟踪系统，实现了卫星发射器和地面接收器的高精度跟踪（分别为2微弧度和0.4微弧度）。
数据采集与分析
光子信号由时间-数字转换器记录。通过全球定位系统（GPS）信号进行时间同步，并使用最小二乘法拟合同步激光脉冲，消除时间抖动。实验设置了2.5纳斯的窄符合时间窗，以减少偶然符合事件。研究团队还开发了监控电路，防止探测器被强光攻击。
安全性验证
研究团队通过贝尔测试验证了纠缠光子的高质量分布。使用Clauser-Horne-Shimony-Holt（CHSH）不等式进行测试，结果表明贝尔参数S为2.56±0.07，违反了CHSH不等式（S）8个标准差。此外，研究团队采用BBM92协议进行QKD，通过滤波和监控确保单光子检测在近二维子空间进行，并满足公平采样条件。
主要结果
1. 链路效率提升
通过改进望远镜和后续光学系统，研究团队将每个卫星-地面链路的收集效率提高了约2倍，整体双光子分发效率提高了约4倍。在最佳条件下，单链路效率提高了3分贝。
密钥生成与安全性
实验在3,100秒的数据收集中获得了6,208个初始符合事件，经过筛选和纠错后，生成了372比特的密钥，有限密钥速率为0.12比特/秒。量子比特错误率（QBER）为4.51%±0.37%，在Z基和X基的QBER分别为4.63%±0.51%和4.38%±0.54%。
安全性验证结果
贝尔测试结果验证了纠缠光子的高质量分布，CHSH不等式违反表明纠缠光子对在1,120公里距离上保持了高质量的纠缠。
结论
该研究首次实现了基于纠缠的QKD在地面站之间的1,120公里安全密钥分发，将实际QKD的安全距离从100公里扩展到1,000公里以上，无需可信中继。通过改进链路效率和安全性，研究团队将双光子分发效率提高了约4倍，并获得了0.12比特/秒的有限密钥速率。该研究为基于纠缠的全球量子网络奠定了基础，展示了卫星量子通信在长距离安全密钥分发中的巨大潜力。
研究亮点
1. 长距离纠缠分发
首次在1,120公里距离上实现了基于纠缠的QKD，突破了地面QKD的距离限制。
高效链路设计
开发了高精度望远镜和后续光学系统，显著提高了链路效率。
安全性保障
通过滤波、监控和贝尔测试，确保了系统的实际安全性，防止了已知的侧信道攻击。
应用价值
该研究为全球量子通信网络的发展提供了重要技术支持，展示了卫星量子通信在实际应用中的可行性。
其他价值
该研究不仅推动了量子通信技术的发展，还为量子计算和分布式量子计算协议提供了新的可能性。通过结合量子中继器，未来可以实现更复杂的量子通信协议和分布式量子计算。
以上是对该研究的全面报告，涵盖了研究背景、流程、结果、结论及其科学和应用价值。