2020 年 12 月 4 日，中國科學技術大學宣布，由潘建偉領銜的研究團隊構(gòu)建了 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機 “九章”。這一成果，使我國成功達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！

今日凌晨，中國科學技術大學宣布：

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，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，研究團隊的論文發(fā)表于國際知名學術期刊 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）。

對于這項研究，Nature 審稿人表示：

這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，也是量子通信領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技術大學物理學院近代物理系、合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室、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)絡有限公司、濟南量子技術研究院、中國科學院上海技術物理研究所空間主動光電技術重點實驗室，潘建偉教授則是通訊作者之一。

在密碼學中，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就在不斷發(fā)展。

1984 年，物理學家 Bennett 和密碼學家 Brassard 提出了基于量子力學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 90 年代，一篇來自 IBM、加拿大蒙特利爾大學、加州大學洛杉磯分校聯(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）的設備和協(xié)議。

概括來講，這一設備和協(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的共享信息。

這一整個過程依賴的便是量子物理學中的不確定性原理，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志性事件，但限于當時的技術，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

不過，從最初不被理解到后來驚艷世人，正是科學的一大魅力所在。

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)是和這一領域“強綁定”了，其團隊做出的突破比如：

• 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實驗體系同時也建成了。

• 2017 年 9 月 29 日，中國科學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，貫穿濟南和合肥全長 2000 多公里的量子通信骨干網(wǎng)絡，將推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域的大規(guī)模應用。

• 2020 年 2 月發(fā)表論文顯示，已突破遠距離獨立激光相位干涉技術，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)。

中國在這一領域的研究進展世界有目共睹，但正如論文指出的那樣：

一個全球性的 QKD 網(wǎng)絡，應該是一個實際的（不僅是理論上的）安全可靠的 QKD網(wǎng)絡，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)絡提供可行方案，但目前的技術水平還不足以部署這樣的網(wǎng)絡。

據(jù)中國科學技術大學介紹，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、目標移動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，可以實現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡。

研究團隊的做法是將「墨子號」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 個衛(wèi)星對地自由空間高速 QKD 鏈路。

無疑，這在世界領域還是首創(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。

【圖源中國科學技術大學】

據(jù)了解，團隊進行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測試、標準化研究以及政務金融電力等不同領域的應用示范。

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)絡的信道損耗相當于地球同步衛(wèi)星與地面之間的信道損耗，也就是說，通過地球同步衛(wèi)星構(gòu)建更多功能和超長量子鏈路成為可能。

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實驗衛(wèi)星“墨子號”的量子物理學家、中國科學院院士潘建偉。在 2016 年的一次專訪中，Nature 將他稱為「中國地空量子先驅(qū)」（China's quantum space pioneer）。

2020 年 11 月，在騰訊科學 WE 大會上，潘建偉教授曾做了題為《新量子革命》的演講。

他表示，信息交互已經(jīng)并將一直伴隨著人類的進化和社會的發(fā)展，在這一過程中有兩個東西是非常重要的，一是信息交互的效率，二是隱私的保護。而如何高效率地進行信息安全傳輸，潘建偉教授給出的答案是量子通訊和量子計算。

談及中國量子通信的未來時，他表示：

經(jīng)過 10-15 年的努力，我們希望能夠完整地發(fā)展天地一體廣域量子的通訊網(wǎng)絡技術體系。

而如今，構(gòu)建天地一體化量子通信網(wǎng)絡的可行性已經(jīng)成功驗證，中國科學團隊所盼望實現(xiàn)的天地一體廣域量子的通訊網(wǎng)絡技術體系自然也不遠了。

引用來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8

https://mp.weixin.qq.com/s/-xhFdYqR7YB72uDgMp3VLQ

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1688181762796479529&wfr=spider&for=pc

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