中國構(gòu)建全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)跨越4600公里星地量子密鑰分發(fā)

32年前，人類歷史上首次量子通信在實(shí)驗(yàn)室誕生，傳輸了32厘米。而今，中國人將這個(gè)距離擴(kuò)展了1400多萬倍，實(shí)現(xiàn)了從地面到太空的多用戶通信。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)7日宣布，中國科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國已構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。

北京時(shí)間1月7日零時(shí)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)雜志上發(fā)表題為《一個(gè)超過4600公里的集成星地量子通信網(wǎng)絡(luò)》的研究論文。文章認(rèn)為，這項(xiàng)工作表明量子技術(shù)成熟到了足以實(shí)用的地步。通過地面光纖及衛(wèi)星將更多國家量子網(wǎng)絡(luò)連接起來，全球量子網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)。

《自然》雜志審稿人評(píng)價(jià)稱，這是地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，是量子通信“巨大的工程性成就”。

從32厘米到4600公里

1989年，當(dāng)首個(gè)量子密鑰分發(fā)(QKD)實(shí)驗(yàn)在IBM實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)，線路只有32厘米。如今，在“墨子號(hào)”量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和京滬干線的交互下，中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4600公里的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，并為超過150名用戶提供服務(wù)。

量子密鑰是依據(jù)量子不可克隆定理，一個(gè)未知的量子態(tài)不能夠被精確地復(fù)制，一旦被測(cè)量也會(huì)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(huì)被發(fā)現(xiàn)。

但是，不可復(fù)制也有壞處，那就是工程上無法像電信號(hào)一樣被增強(qiáng)。光子通過長距離光纖傳輸，必然會(huì)產(chǎn)生損耗。再加上環(huán)境噪音的影響，目前現(xiàn)實(shí)世界條件下兩個(gè)地面用戶之間直接通過光纖分發(fā)量子密鑰，最遠(yuǎn)距離只能達(dá)到約100至200 公里。

在量子中繼器技術(shù)尚未成熟的情況下，距離長達(dá)2000公里的世界首條量子保密通信干線“京滬干線”沿途設(shè)置了32個(gè)中繼站點(diǎn)進(jìn)行“接力”，通過網(wǎng)絡(luò)隔離等手段保障中繼站點(diǎn)內(nèi)的信息安全。

當(dāng)然，科學(xué)家們也在探索一些更為前沿的新技術(shù)以解決距離問題。潘建偉團(tuán)隊(duì)與其合作者合作，將真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)距離從300公里拓展到了509公里。另一方面， 衛(wèi)星可以作為天基中繼站點(diǎn)。對(duì)于長距離或洲際用戶來說，由于自由空間內(nèi)量子信號(hào)衰減水平低、退相干效應(yīng)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(wǎng)絡(luò)已在為150多名用戶提供服務(wù)，在這方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)演示了上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器、密集波分復(fù)用、高效頂?shù)讉鬏敗?shí)時(shí)后處理和監(jiān)控等核心關(guān)鍵技術(shù)，最重要的是對(duì)抗已知的量子攻擊。關(guān)于星地鏈路，他們則通過大幅提升系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速星地QKD。硬件方面，優(yōu)化了地面接收器的光學(xué)系統(tǒng)，提高了QKD系統(tǒng)的時(shí)鐘速率;軟件方面，采用更高效的QKD協(xié)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(yīng)的覆蓋角度為170度，幾乎是整個(gè)天空。南山地面站里的遠(yuǎn)程用戶可以與“京滬干線”上的任一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。

構(gòu)建星地量子通信網(wǎng)絡(luò)

基于這些技術(shù)突破，一個(gè)集成的星地量子通信網(wǎng)絡(luò)成形，由一個(gè)包括700多個(gè)QKD鏈路的大規(guī)模光纖網(wǎng)絡(luò)和兩段星地自由空間QKD鏈路組成。

據(jù)介紹，該網(wǎng)絡(luò)平均成碼率可達(dá)47.8.1kbps，比此前的“墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)高出40多倍。

光纖QKD鏈路長達(dá)2000公里，而星地QKD鏈路長達(dá)2600公里，兩相結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一個(gè)用戶可以實(shí)現(xiàn)最長達(dá)到4600公里的量子保密通信。

那么，量子通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理到底是怎么進(jìn)行的呢?

比如，北京用戶想要傳輸信息，計(jì)算機(jī)向密鑰管理系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求密鑰的命令，并向路由器尋找經(jīng)典信息傳輸?shù)慕?jīng)典路徑。密鑰管理系統(tǒng)檢查密鑰是否足夠。如果是，那就是將密鑰發(fā)送到計(jì)算機(jī);否則，它將向量子系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送生成更多密鑰的命令。

量子系統(tǒng)服務(wù)器將命令發(fā)送至量子控制系統(tǒng)，找到最佳的密鑰生成路徑，發(fā)送生成密鑰的命令。密鑰在量子物理層中生成，儲(chǔ)存在量子管理系統(tǒng)。使用密鑰對(duì)消息進(jìn)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(hào)操控技術(shù)的發(fā)展，那些尚在實(shí)驗(yàn)室階段的新型QKD方案也將步入實(shí)用，例如測(cè)量器件無關(guān)QKD、雙場(chǎng)QKD等。將測(cè)量器件無關(guān)QKD和校準(zhǔn)良好的設(shè)備結(jié)合起來，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)可以在現(xiàn)實(shí)條件下提供足夠的安全性。潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，“京滬干線”可以直接升級(jí)以適應(yīng)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(fā)起了我國第一次關(guān)于量子信息的香山會(huì)議，標(biāo)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(gè)世界領(lǐng)先的量子實(shí)驗(yàn)室”的決心從奧地利回國，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建實(shí)驗(yàn)室。從2001年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建起國內(nèi)首個(gè)量子實(shí)驗(yàn)室，到推動(dòng)構(gòu)建全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)見證了我國量子信息的20年發(fā)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(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。它的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼器實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。

沿著這一路線，潘建偉團(tuán)隊(duì)將城域光纖量子通信技術(shù)發(fā)展到了初步滿足實(shí)用化要求的水平，自主研制的量子通信裝備已經(jīng)為國家重要活動(dòng)提供了信息安全保障。為了構(gòu)建遠(yuǎn)距離量子通信技術(shù)體系，2016年底，國際上首條遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”在合肥建成。

遠(yuǎn)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(shù)是高性能的量子存儲(chǔ)。“通過多年合作研究的技術(shù)積累，我們實(shí)現(xiàn)的冷原子量子存儲(chǔ)已經(jīng)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(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的量子通信，是構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)更加有效的方式。在中科院的前瞻性支持和統(tǒng)籌組織下，通過與中科院上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院和光電技術(shù)研究所等單位多年的協(xié)同攻關(guān)，潘建偉團(tuán)隊(duì)突破了一系列星地自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)。

2011年，中科院迅速?zèng)Q策，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”先導(dǎo)專項(xiàng)正式立項(xiàng)。2016年8月16日，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星成功發(fā)射。“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在軌運(yùn)行半年后，圓滿完成了全部既定科學(xué)目標(biāo)，充分驗(yàn)證了通過衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信的可行性。結(jié)合“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星和“京滬干線”，我國構(gòu)建了國際上首個(gè)天地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，為將來的規(guī)模化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

潘建偉表示，量子通信具有明顯的應(yīng)用導(dǎo)向，從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中，需要經(jīng)歷基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、工程化集成與驗(yàn)證等階段，然后才能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。“京滬干線”和“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星等，都是基于我國前期近20年的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成果而進(jìn)行的工程化集成與驗(yàn)證項(xiàng)目，穩(wěn)步推進(jìn)了量子通信的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

正是由于我國率先開展了規(guī)模適度的量子通信技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范，推動(dòng)了我國在量子通信領(lǐng)域占據(jù)了國際領(lǐng)先地位。

“量子信息技術(shù)”到底有什么用?“量子之父”這么說

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉被譽(yù)為“量子之父”，他是量子通信科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”的首席科學(xué)家?！蹲匀弧冯s志評(píng)價(jià)潘建偉的成就時(shí)說，“在他的帶領(lǐng)下，中國成為遠(yuǎn)距離量子通信技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。”

量子通信不會(huì)取代現(xiàn)有通信方式 將大幅提升信息安全水平

科技日?qǐng)?bào)記者：我國已經(jīng)構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形，是否意味著傳統(tǒng)的通信方式即將被顛覆?

潘建偉：盡管量子通信是一個(gè)新興領(lǐng)域，但它并不是要取代現(xiàn)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(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。現(xiàn)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(tǒng)保密通信中，至今還沒有能嚴(yán)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(fā)實(shí)時(shí)產(chǎn)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(diǎn)是絕對(duì)的，是由量子力學(xué)基本原理所保證的。換句話說，量子保密通信是在傳統(tǒng)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(tǒng)的通信方式。

科技日?qǐng)?bào)記者：我國量子通信已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。那么，為持續(xù)保持引領(lǐng)地位，我國還需要在哪些方面著力?

潘建偉：量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。首先通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過中繼器實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接，最終通過衛(wèi)星平臺(tái)中轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，這是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。

按照這一路線，量子通信未來的發(fā)展，一方面需要擴(kuò)大量子通信網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋范圍，包括實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接、實(shí)現(xiàn)可支持千公里量級(jí)的量子中繼、發(fā)展下一代可全天時(shí)工作的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等;另一方面，需要在工程化集成與驗(yàn)證的實(shí)踐中推動(dòng)核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定和規(guī)?；膽?yīng)示范。