中國構建全球首個星地量子通信網 實現跨越4600公里星地量子密鑰分發

32年前，人類歷史上首次量子通信在實驗室誕生，傳輸了32厘米。而今，中國人將這個距離擴展了1400多萬倍，實現了從地面到太空的多用戶通信。中國科學技術大學7日宣布，中國科研團隊成功實現了跨越4600公里的星地量子密鑰分發，標志著我國已構建出天地一體化廣域量子通信網雛形。

北京時間1月7日零時，中國科學技術大學教授潘建偉團隊在世界頂級學術期刊《自然》(Nature)雜志上發表題為《一個超過4600公里的集成星地量子通信網絡》的研究論文。文章認為，這項工作表明量子技術成熟到了足以實用的地步。通過地面光纖及衛星將更多國家量子網絡連接起來，全球量子網絡可以實現。

《自然》雜志審稿人評價稱，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發網絡，是量子通信“巨大的工程性成就”。

從32厘米到4600公里

1989年，當首個量子密鑰分發(QKD)實驗在IBM實驗室內實現，線路只有32厘米。如今，在“墨子號”量子通信實驗衛星和京滬干線的交互下，中國已經實現了4600公里的量子保密通信網絡，并為超過150名用戶提供服務。

量子密鑰是依據量子不可克隆定理，一個未知的量子態不能夠被精確地復制，一旦被測量也會被破壞。因此，一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，一定會被發現。

但是，不可復制也有壞處，那就是工程上無法像電信號一樣被增強。光子通過長距離光纖傳輸，必然會產生損耗。再加上環境噪音的影響，目前現實世界條件下兩個地面用戶之間直接通過光纖分發量子密鑰，最遠距離只能達到約100至200 公里。

在量子中繼器技術尚未成熟的情況下，距離長達2000公里的世界首條量子保密通信干線“京滬干線”沿途設置了32個中繼站點進行“接力”，通過網絡隔離等手段保障中繼站點內的信息安全。

當然，科學家們也在探索一些更為前沿的新技術以解決距離問題。潘建偉團隊與其合作者合作，將真實環境光纖的雙場量子密鑰分發距離從300公里拓展到了509公里。另一方面， 衛星可以作為天基中繼站點。對于長距離或洲際用戶來說，由于自由空間內量子信號衰減水平低、退相干效應可以忽略，星地QKD成了最具吸引力的方案。

目前，“京滬干線”地面量子通信光纖網絡已在為150多名用戶提供服務，在這方面，潘建偉團隊演示了上轉換單光子探測器、密集波分復用、高效頂底傳輸、實時后處理和監控等核心關鍵技術，最重要的是對抗已知的量子攻擊。關于星地鏈路，他們則通過大幅提升系統軟硬件設計實現了高速星地QKD。硬件方面，優化了地面接收器的光學系統，提高了QKD系統的時鐘速率;軟件方面，采用更高效的QKD協議來生成密鑰。

此外，他們還將星地QKD距離從1200公里提升到2000公里，相應的覆蓋角度為170度，幾乎是整個天空。南山地面站里的遠程用戶可以與“京滬干線”上的任一節點進行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。

構建星地量子通信網絡

基于這些技術突破，一個集成的星地量子通信網絡成形，由一個包括700多個QKD鏈路的大規模光纖網絡和兩段星地自由空間QKD鏈路組成。

據介紹，該網絡平均成碼率可達47.8.1kbps，比此前的“墨子號”實驗高出40多倍。

光纖QKD鏈路長達2000公里，而星地QKD鏈路長達2600公里，兩相結合，網絡內任意一個用戶可以實現最長達到4600公里的量子保密通信。

那么，量子通信網絡架構和管理到底是怎么進行的呢?

比如，北京用戶想要傳輸信息，計算機向密鑰管理系統發送請求密鑰的命令，并向路由器尋找經典信息傳輸的經典路徑。密鑰管理系統檢查密鑰是否足夠。如果是，那就是將密鑰發送到計算機;否則，它將向量子系統服務器發送生成更多密鑰的命令。

量子系統服務器將命令發送至量子控制系統，找到最佳的密鑰生成路徑，發送生成密鑰的命令。密鑰在量子物理層中生成，儲存在量子管理系統。使用密鑰對消息進行編碼或解碼之后，信息可以安全地傳輸給上海的用戶。

隨著量子信號操控技術的發展，那些尚在實驗室階段的新型QKD方案也將步入實用，例如測量器件無關QKD、雙場QKD等。將測量器件無關QKD和校準良好的設備結合起來，量子密鑰分發系統可以在現實條件下提供足夠的安全性。潘建偉團隊表示，“京滬干線”可以直接升級以適應這些新方案。

二十年磨一劍

1998年6月，在中科大近代物理系的支持下，張永德教授和郭光燦教授牽頭發起了我國第一次關于量子信息的香山會議，標志著我國的量子信息研究拉開序幕，中科大成為我國最早開始量子信息研究的高校。

2001年，已在量子信息方面取得國際成就的潘建偉，帶著“在中國建一個世界領先的量子實驗室”的決心從奧地利回國，在中國科學技術大學組建實驗室。從2001年中國科學技術大學組建起國內首個量子實驗室，到推動構建全球首個星地量子通信網，潘建偉院士團隊見證了我國量子信息的20年發展之路。

量子通信提供了原理上無條件安全的通信方式，可以大幅提升現有信息系統的安全性。它的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡、通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星平臺的中轉實現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網絡的發展路線。

沿著這一路線，潘建偉團隊將城域光纖量子通信技術發展到了初步滿足實用化要求的水平，自主研制的量子通信裝備已經為國家重要活動提供了信息安全保障。為了構建遠距離量子通信技術體系，2016年底，國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”在合肥建成。

遠距離光纖量子通信的最終解決方案是量子中繼，其核心技術是高性能的量子存儲。“通過多年合作研究的技術積累，我們實現的冷原子量子存儲已經在原理上可以滿足基于量子中繼的500公里光纖量子通信的需求。”潘建偉說。

通過衛星平臺的中轉來實現遙遠地點之間的量子通信，是構建全球化量子通信網絡更加有效的方式。在中科院的前瞻性支持和統籌組織下，通過與中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院和光電技術研究所等單位多年的協同攻關，潘建偉團隊突破了一系列星地自由空間量子通信的關鍵技術。

2011年，中科院迅速決策，“量子科學實驗衛星”先導專項正式立項。2016年8月16日，“墨子號”量子衛星成功發射。“墨子號”量子衛星在軌運行半年后，圓滿完成了全部既定科學目標，充分驗證了通過衛星平臺實現遠距離量子通信的可行性。結合“墨子號”量子衛星和“京滬干線”，我國構建了國際上首個天地一體的廣域量子通信網絡雛形，為將來的規模化應用奠定了堅實的科學與技術基礎。

潘建偉表示，量子通信具有明顯的應用導向，從實驗室走向實際應用的過程中，需要經歷基礎研究、關鍵技術研發、工程化集成與驗證等階段，然后才能實現規模化商業應用。“京滬干線”和“墨子號”量子衛星等，都是基于我國前期近20年的基礎和應用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目，穩步推進了量子通信的現實應用。

正是由于我國率先開展了規模適度的量子通信技術驗證與應用示范，推動了我國在量子通信領域占據了國際領先地位。

“量子信息技術”到底有什么用?“量子之父”這么說

中國科學技術大學教授、中國科學院院士潘建偉被譽為“量子之父”，他是量子通信科學衛星“墨子號”的首席科學家。《自然》雜志評價潘建偉的成就時說，“在他的帶領下，中國成為遠距離量子通信技術的領導者。”

量子通信不會取代現有通信方式 將大幅提升信息安全水平

科技日報記者：我國已經構建出天地一體化廣域量子通信網雛形，是否意味著傳統的通信方式即將被顛覆?

潘建偉：盡管量子通信是一個新興領域，但它并不是要取代現有的通信方式，恰恰相反，它將以一種新的途徑來大幅提高現有信息系統的安全性。現代信息安全體系的核心要素是密鑰，只要確保密鑰安全，就可以保證加密信息的安全。在傳統保密通信中，至今還沒有能嚴格證明其安全性的方法。

但量子保密通信卻可以在已有公開信道中，通過量子密鑰分發實時產生密鑰并安全便捷地分配到用戶，使得在量子密鑰的傳輸過程中，如果信息被竊聽，竊聽者無法做到不留下痕跡。而且這一點是絕對的，是由量子力學基本原理所保證的。換句話說，量子保密通信是在傳統通信中使用量子密鑰以提升安全性，而非一種完全顛覆傳統的通信方式。

科技日報記者：我國量子通信已經處于國際領先水平。那么，為持續保持引領地位，我國還需要在哪些方面著力?

潘建偉：量子通信的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。首先通過光纖實現城域量子通信網絡，進而通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接，最終通過衛星平臺中轉來實現遙遠區域之間的連接，這是廣域量子通信網絡的發展路線。

按照這一路線，量子通信未來的發展，一方面需要擴大量子通信網絡的有效覆蓋范圍，包括實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接、實現可支持千公里量級的量子中繼、發展下一代可全天時工作的量子衛星網絡等;另一方面，需要在工程化集成與驗證的實踐中推動核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和規模化的應示范。