北京時(shí)間1月7日零時(shí)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱中科大)教授潘建偉團(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。該成果已在英國《自然》雜志上刊發(fā)。

潘建偉指出，這項(xiàng)成果表明量子技術(shù)成熟到了足以實(shí)用的地步，通過地面光纖及衛(wèi)星能夠?qū)⒏鄧伊孔泳W(wǎng)絡(luò)連接起來，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)建全球量子網(wǎng)絡(luò)。《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 通信距離提升超14萬倍

1989年，首個(gè)量子密鑰分發(fā)(QKD)實(shí)驗(yàn)在IBM公司的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的傳輸線路只有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，經(jīng)過兩年多穩(wěn)定性、安全性測(cè)試，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，那就是工程方案上無法像電信號(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，目前真實(shí)環(huán)境中兩個(gè)地面用戶之間直接通過光纖分發(fā)量子密鑰，最遠(yuǎn)的傳輸距離只能達(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。

與此同時(shí)，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。例如，雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)。在這方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)與其合作者將真實(shí)環(huán)境中光纖的雙場(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，高軌道的衛(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。

2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)借助“墨子號(hào)”衛(wèi)星成功向河北興隆地面站分發(fā)了量子密鑰，最遠(yuǎn)距離達(dá)到1200千米，平均成碼率可達(dá)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(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?、?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) 實(shí)驗(yàn)室階段新方案將步入實(shí)用

基于這些技術(shù)突破，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鏈路組成的、一個(gè)集成的星地量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成形。

據(jù)介紹，該網(wǎng)絡(luò)平均成碼率比此前的“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。(吳長鋒)