4600 公里！潘建偉團(tuán)隊(duì)重大突破再登 Nature，天地一體化廣域量子通信網(wǎng)近了

本文作者：付靜

2021-01-07 16:58

導(dǎo)語(yǔ)：“這是地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)?！?

2020 年 12 月 4 日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，由潘建偉領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 76 個(gè)光子 100 個(gè)模式的量子計(jì)算原型機(jī) “九章”。這一成果，使我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑——量子計(jì)算優(yōu)越性。

僅一個(gè)月后，潘建偉等人再創(chuàng)突破，構(gòu)建了全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)絡(luò)！

今日凌晨，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布：

潘建偉等人構(gòu)建了世界上首個(gè)集成 700 多條地面光纖量子密鑰分發(fā)（QKD）鏈路和兩個(gè)衛(wèi)星對(duì)地自由空間高速 QKD 鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了地面跨度 4600 公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)。

至此，我國(guó)已構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。

“只有聾子才破解不了”

2020 年 1 月 6 日，研究團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊 Nature，題為 An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres（跨越 4600 公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)）。

4600 公里！潘建偉團(tuán)隊(duì)重大突破再登 Nature，天地一體化廣域量子通信網(wǎng)近了

對(duì)于這項(xiàng)研究，Nature 審稿人表示：

這是地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，也是量子通信領(lǐng)域的巨大工程性成就。

Nature 信息顯示，該論文作者來(lái)自于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院近代物理系、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中國(guó)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，潘建偉教授則是通訊作者之一。

在密碼學(xué)中，密鑰（key）能夠完成秘密信息的加密、解密、完整性驗(yàn)證。實(shí)際上，自人類使用語(yǔ)言以來(lái)，通過(guò)密鑰給信息加密的技術(shù)就在不斷發(fā)展。

1984 年，物理學(xué)家 Bennett 和密碼學(xué)家 Brassard 提出了基于量子力學(xué)測(cè)量原理的世界首個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（BB84 協(xié)議），旨在增加安全通信距離、提高安全性。依據(jù)該協(xié)議提出的量子密鑰分發(fā)（QKD，即 quantum key distribution）可以為分隔兩地的用戶提供無(wú)條件的安全共享密鑰，在根本上保證了密鑰的安全性。

早在上世紀(jì) 90 年代，一篇來(lái)自 IBM、加拿大蒙特利爾大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校聯(lián)合發(fā)表的論文就介紹了一種實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)（QKD）的設(shè)備和協(xié)議。

4600 公里！潘建偉團(tuán)隊(duì)重大突破再登 Nature，天地一體化廣域量子通信網(wǎng)近了

概括來(lái)講，這一設(shè)備和協(xié)議的作用是：兩個(gè)一開(kāi)始不共享秘密信息的用戶，交換由非常微弱的偏振光反射組成的隨機(jī)量子傳輸，隨后公開(kāi)討論傳輸?shù)陌l(fā)送和接收版本，估計(jì)被人竊聽(tīng)的可能性，如果可能性足夠小，即可在發(fā)送和接收版本中提取隨機(jī)的共享信息。

這一整個(gè)過(guò)程依賴的便是量子物理學(xué)中的不確定性原理，它可以抵御任何有著無(wú)限計(jì)算能力的第三方。

實(shí)際上這便是世界首個(gè) QKD 實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，線路僅 32 厘米。無(wú)疑，這是量子加密通信的一個(gè)標(biāo)志性事件，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，人們對(duì)它的一個(gè)調(diào)侃是“只有聾子才破解不了”。

全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)絡(luò)

不過(guò)，從最初不被理解到后來(lái)驚艷世人，正是科學(xué)的一大魅力所在。

近年來(lái)，量子加密通信快速發(fā)展，在我國(guó)，潘建偉教授的名字可以說(shuō)已經(jīng)是和這一領(lǐng)域“強(qiáng)綁定”了，其團(tuán)隊(duì)做出的突破比如：

2016 年 8 月 16 日凌晨 1 時(shí) 40 分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。由此，我國(guó)成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)太空和地面之間量子通信的國(guó)家，我國(guó)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系同時(shí)也建成了。
2017 年 9 月 29 日，中國(guó)科學(xué)院宣布世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開(kāi)通。此后，連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng) 2000 多公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，將推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。
2020 年 2 月發(fā)表論文顯示，已突破遠(yuǎn)距離獨(dú)立激光相位干涉技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 500 公里量級(jí)真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)，再次刷新了量子密鑰分發(fā)傳輸距離的世界紀(jì)錄。
2020 年 6 月發(fā)表論文顯示，已實(shí)現(xiàn) 1120 公里無(wú)中繼糾纏量子密鑰分發(fā)，即國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于糾纏的千公里級(jí)量子密鑰分發(fā)。

中國(guó)在這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展世界有目共睹，但正如論文指出的那樣：

一個(gè)全球性的 QKD 網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該是一個(gè)實(shí)際的（不僅是理論上的）安全可靠的 QKD網(wǎng)絡(luò)，可被散布于世界各地的用戶使用。原則上，量子中繼器可為這樣的全球網(wǎng)絡(luò)提供可行方案，但目前的技術(shù)水平還不足以部署這樣的網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)介紹，按通信信道劃分，量子密鑰分發(fā)主要分為兩種——地面光纖（信道穩(wěn)定性更加，不易受環(huán)境因素影響，更適合城際短距離場(chǎng)景）和自由空間（主要由衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，適合距離較遠(yuǎn)、目標(biāo)移動(dòng)等光纖資源受限的情形）。

因此：

將地面光纖和自由空間結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)。

研究團(tuán)隊(duì)的做法是將「墨子號(hào)」與「京滬干線」結(jié)合，集成了 700 多條地面光纖量子密鑰分發(fā)鏈路和 2 個(gè)衛(wèi)星對(duì)地自由空間高速 QKD 鏈路。

無(wú)疑，這在世界領(lǐng)域還是首創(chuàng)！

最終，地面跨度為 4600 公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)得以構(gòu)建。

4600 公里！潘建偉團(tuán)隊(duì)重大突破再登 Nature，天地一體化廣域量子通信網(wǎng)近了

【圖源中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)】

據(jù)了解，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)化研究以及政務(wù)金融電力等不同領(lǐng)域的應(yīng)用示范。

在一次典型的衛(wèi)星傳輸中，從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)速率平均達(dá)到 47.8 千比特每秒——這比以前高出了 40 多倍。

此外論文也表示，這一網(wǎng)絡(luò)的信道損耗相當(dāng)于地球同步衛(wèi)星與地面之間的信道損耗，也就是說(shuō)，通過(guò)地球同步衛(wèi)星構(gòu)建更多功能和超長(zhǎng)量子鏈路成為可能。

天地一體化廣域量子通信網(wǎng)近了

這幅圖中的，正是締造了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”的量子物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉。在 2016 年的一次專訪中，Nature 將他稱為「中國(guó)地空量子先驅(qū)」（China's quantum space pioneer）。

4600 公里！潘建偉團(tuán)隊(duì)重大突破再登 Nature，天地一體化廣域量子通信網(wǎng)近了