北京時間1月7日零時，中國科學技術大學(以下簡稱中科大)教授潘建偉團隊成功實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標志著我國已構建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。該成果已在英國《自然》雜志上刊發(fā)。

潘建偉指出，這項成果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(wèi)星能夠將更多國家量子網(wǎng)絡連接起來，可實現(xiàn)構建全球量子網(wǎng)絡?！蹲匀弧冯s志審稿人評價稱，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，是量子通信“巨大的工程性成就”。

從32厘米到4600公里 通信距離提升超14萬倍

1989年，首個量子密鑰分發(fā)(QKD)實驗在IBM公司的實驗室內實現(xiàn)，當時的傳輸線路只有32厘米。如今，在“墨子號”量子通信實驗衛(wèi)星和“京滬干線”的交互下，經(jīng)過兩年多穩(wěn)定性、安全性測試，中國已經(jīng)實現(xiàn)了4600公里的量子保密通信網(wǎng)絡，并為超過150名用戶提供服務。

量子密鑰是依據(jù)量子不可克隆定理，一個未知的量子態(tài)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(fā)現(xiàn)。

但是，不可復制也有壞處，那就是工程方案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(chǎn)生損耗。再加上環(huán)境噪音的影響，目前真實環(huán)境中兩個地面用戶之間直接通過光纖分發(fā)量子密鑰，最遠的傳輸距離只能達到約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(wǎng)絡隔離等手段保障中繼站點內的信息安全。

與此同時，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。例如，雙場量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)。在這方面，潘建偉團隊與其合作者將真實環(huán)境中光纖的雙場量子密鑰分發(fā)距離從300公里拓展到了509公里。另一方面，高軌道的衛(wèi)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。

2017年，潘建偉團隊借助“墨子號”衛(wèi)星成功向河北興隆地面站分發(fā)了量子密鑰，最遠距離達到1200千米，平均成碼率可達1.1kbps(每秒1.1千比特)。

目前，“京滬干線”地面量子通信光纖網(wǎng)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?shù)讉鬏?、實時后處理和監(jiān)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(tǒng)軟硬件設計實現(xiàn)了高速星地QKD。硬件方面，優(yōu)化了地面接收器的光學系統(tǒng)，提高了QKD系統(tǒng)的時鐘速率;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(jié)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(wǎng)絡 實驗室階段新方案將步入實用

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

據(jù)介紹，該網(wǎng)絡平均成碼率比此前的“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(wǎng)絡內任意一個用戶可以實現(xiàn)最長達到4600公里的量子保密通信。

那么，量子通信網(wǎng)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(tǒng)發(fā)送請求密鑰的命令，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，那就將密鑰發(fā)送到計算機;否則，它將向量子系統(tǒng)服務器發(fā)送生成更多密鑰的命令。量子系統(tǒng)服務器將命令發(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，儲存在量子管理系統(tǒng)。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(fā)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(fā)系統(tǒng)可以在現(xiàn)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。(吳長鋒)