我國構(gòu)建全球首個量子通信網(wǎng)

[本刊訊] 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳宇翱、彭承志團隊與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術(shù)研究院、中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，在量子保密通信京滬干線與“墨子號”量子衛(wèi)星成功對接的基礎(chǔ)上，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）鏈路和兩個星地自由空間高速Q(mào)KD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QKD。相關(guān)論文以“An integrated spaceto-ground quantum communication network over 4600 kilometres”（跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)）為題，于2021年1月7日發(fā)表在《自然》（Nature）上。

量子保密通信京滬干線總長超過2000公里，覆蓋4省3市共32個節(jié)點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網(wǎng)，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”相連，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，于2017年9月底正式開通。建設(shè)過程中，研究團隊攻克了高速Q(mào)KD、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控監(jiān)控等系列工程化實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。建成后，開展了兩年多的相關(guān)技術(shù)驗證和應(yīng)用示范，大量的穩(wěn)定性測試、安全性測試及相關(guān)標準化研究，通過了光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時移攻擊、波長依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測試，結(jié)果表明“京滬干線”網(wǎng)絡(luò)可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案，其密鑰分發(fā)量原則上可支持近萬用戶同時使用。

“墨子號”量子衛(wèi)星于2016年8月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標。在該工作中，研究團隊在優(yōu)化地面站接收光學(xué)系統(tǒng)、提高QKD發(fā)射系統(tǒng)時鐘頻率并應(yīng)用更高效QKD協(xié)議的基礎(chǔ)上，最終在南山地面站實現(xiàn)了單軌衛(wèi)星對地面站量子密鑰生成速率提高約40倍。研究團隊還成功地將衛(wèi)星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里，其信道損耗相當于中高軌道衛(wèi)星與地面之間的損耗，這為未來在中高軌衛(wèi)星應(yīng)用量子通信、實現(xiàn)覆蓋全球的多橫多縱量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

目前，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形已基本形成，未來在此基礎(chǔ)上，可進一步推動量子通信在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。骨干網(wǎng)的擴展，將形成更復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)建國家地基授時網(wǎng)絡(luò)，為定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)提供保障。另一方面，地面網(wǎng)絡(luò)與量子衛(wèi)星結(jié)合，為超大尺度量子干涉的相關(guān)實驗提供了有利基礎(chǔ)，如探索量子力學(xué)與廣義相對論融合等問題，為量子引力的基礎(chǔ)檢驗和用于計量應(yīng)用的大規(guī)模干涉測量提供了可能。

這項工作得到了國家發(fā)改委、山東省、安徽省、上海市、中國銀行業(yè)監(jiān)督管理委員會、中國科學(xué)院、國家科技部和基金委的支持。 （胡 楊）