4600 公里！潘建偉團(tuán)隊重大突破再登 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：“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，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，由潘建偉領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊構(gòu)建了 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機(jī) “九章”。這一成果，使我國成功達(dá)到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優(yōu)越性。

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

今日凌晨，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布：

潘建偉等人構(gòu)建了世界上首個集成 700 多條地面光纖量子密鑰分發(fā)（QKD）鏈路和兩個衛(wèi)星對地自由空間高速 QKD 鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(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)隊的論文發(fā)表于國際知名學(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)隊重大突破再登 Nature，天地一體化廣域量子通信網(wǎng)近了

對于這項研究，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，該論文作者來自于中國科學(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)國家實驗室、中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所空間主動光電技術(shù)重點實驗室，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、完整性驗證。實際上，自人類使用語言以來，通過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)測量原理的世界首個量子密鑰分發(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

概括來講，這一設(shè)備和協(xié)議的作用是：兩個一開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，隨后公開討論傳輸?shù)陌l(fā)送和接收版本，估計被人竊聽的可能性，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。

這一整個過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限計算能力的第三方。

實際上這便是世界首個 QKD 實驗的過程，線路僅 32 厘米。無疑，這是量子加密通信的一個標(biāo)志性事件，但限于當(dāng)時的技術(shù)，人們對它的一個調(diào)侃是“只有聾子才破解不了”。

全球首個星地量子通信網(wǎng)絡(luò)

不過，從最初不被理解到后來驚艷世人，正是科學(xué)的一大魅力所在。

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

2016 年 8 月 16 日凌晨 1 時 40 分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。由此，我國成為世界首個實現(xiàn)太空和地面之間量子通信的國家，我國天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實驗體系同時也建成了。
2017 年 9 月 29 日，中國科學(xué)院宣布世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開通。此后，連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長 2000 多公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，將推動量子通信在金融、政務(wù)、國防、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)距離獨立激光相位干涉技術(shù)，實現(xiàn) 500 公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(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，已實現(xiàn) 1120 公里無中繼糾纏量子密鑰分發(fā)，即國際上首次實現(xiàn)基于糾纏的千公里級量子密鑰分發(fā)。

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

一個全球性的 QKD 網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該是一個實際的（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)移動等光纖資源受限的情形）。

因此：