潘建偉團隊登上《自然》：4600公裏量子通信網是如何實現

1989年，當首個量子密鑰分發（QKD）實驗在IBM實驗室內實現，線路只有32厘米，而且因設備操作時會發出噪音，被調侃為只有聾子才破解不了量子保密通信。

如今，在“墨子號”量子通信實驗衛星和京滬幹線的串聯下，中國已經實現了4600公裏的量子保密通信網絡，並為超過150名用戶提供服務。

北京時間1月7日零時，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉團隊在世界頂級學術期刊《自然》（Nature）雜誌上發文詳解了這種“連連看”是如何實現的。文章題為《壹個超過4600公裏的集成星地量子通信網絡》（An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres）。

文章認為，這項工作表明量子技術成熟到了足以實用的地步。通過地面光纖及衛星將更多國家量子網絡連接起來，全球量子網絡可以實現。

量子通信的距離問題

量子密鑰的特點在於它是編碼在光子的量子態上，依據量子不可克隆定理，壹個未知的量子態不能夠被精確地復制，壹旦被測量也會被破壞。因此，壹旦有人竊取並試圖自行讀取量子密鑰，壹定會被發現。

不可復制也有壞處，那就是工程上無法像電信號壹樣被增強。光子通過長距離光纖傳輸，必然會產生損耗。

再加上環境噪音的影響，目前現實世界條件下兩個地面用戶之間直接通過光纖分發量子密鑰，最遠距離只能達到約100 公裏。

在量子中繼器技術尚未成熟的情況下，距離長達2000公裏的世界首條量子保密通信幹線“京滬幹線”沿途設置了32個中繼站點進行“接力”，通過人工值守、網絡隔離等手段保障中繼站點內的信息安全。

當然，除了現實可用的技術，科學家們也在探索壹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（TF-QKD）。在這方面，濟南量子技術研究院王向斌團隊與潘建偉團隊合作將真實環境光纖的雙場量子密鑰分發距離從300公裏拓展到了509公裏。

另壹方面，高軌道的衛星可以作為天基中繼站點。對於長距離或洲際用戶來說，由於自由空間內量子信號衰減水平低、退相幹效應可以忽略，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”衛星成功向河北興隆地面站分發了量子密鑰，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）。

關鍵技術

盡管之前的實驗已經證明了小規模量子城域網和關鍵服務的可行性，但建設實用的大規模量子廣域網絡仍需克服幾大挑戰。

地面量子通信光纖網絡已在為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、高效頂底傳輸、實時後處理和監控等核心關鍵技術，最重要的是對抗已知的量子攻擊。

量子密鑰分發設備、控制設備和經典通信設備。SPD指單光子探測器

關於星地鏈路，他們則通過大幅提升系統軟硬件設計實現了高速星地QKD。硬件方面，優化了地面接收器的光學系統，提高了QKD系統的時鐘速率；軟件方面，采用更高效的QKD協議來生成密鑰。

此外，他們還將星地QKD距離從1200公裏提升到2000公裏，相應的覆蓋角度為170度，幾乎是整個天空。南山地面站裏的遠程用戶可以與“京滬幹線”上的任壹節點進行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。

星地量子通信網絡

基於這些技術突破，壹個集成的星地量子通信網絡成形，由壹個包括700多個QKD鏈路的大規模光纖網絡和兩段星地自由空間QKD鏈路組成。

該網絡平均成碼率可達47.8.1kbps，比此前的“墨子號”實驗高出40多倍。

光纖QKD鏈路長達2000公裏，而星地QKD鏈路長達2600公裏，兩相結合，網絡內任意壹個用戶可以實現最長達到4600公裏的量子保密通信。

從示意圖可知，的星地量子通信網絡包括北京、濟南、上海、合肥四個光纖量子城域網（紅色箭頭）、1條“京滬幹線” （橙色線路）和連接興隆、南山兩個地面站（藍色方框）的星地鏈路。其中，幹線長2000公裏，兩個衛星地面站相距2600公裏

同時，興隆地面站也與北京量子城域網通過光纖鏈接。

位於南山地面站的1.2米望遠鏡和位於興隆地面站的1米望遠鏡

每個量子城域網中都有三種節點，紫色圓圈為用戶節點，綠色圓圈為全通光開關，粉色圓圈為可信節點。

文章介紹道，地面上的量子保密通信光纖網絡已經在為150多名用戶提供服務。那麽，量子通信網絡架構和管理到底是怎麽進行的呢？文章以從北京到上海的安全傳輸為例進行闡述。

北京用戶想要傳輸信息，計算機向密鑰管理系統發送請求密鑰的命令，並向路由器尋找經典信息傳輸的經典路徑。密鑰管理系統檢查密鑰是否足夠。如果是，那就是將密鑰發送到計算機；否則，它將向量子系統服務器發送生成更多密鑰的命令。量子系統服務器將命令發送至量子控制系統，找到最佳的密鑰生成路徑，發送生成密鑰的命令。密鑰在量子物理層中生成，儲存在量子管理系統。使用密鑰對消息進行編碼或解碼之後，信息可以安全地傳輸給上海的用戶。

展望全球量子網絡

文章總結道，這項工作表明量子技術成熟到了足以實用的地步。通過地面光纖及衛星將更多國家量子網絡連接起來，全球量子網絡可以實現。

隨著量子信號操控技術的發展，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，量子密鑰分發系統可以在現實條件下提供足夠的安全性

潘建偉團隊表示，“京滬幹線”可以直接升級以適應這些新方案。

展望未來，文章認為，隨著量子通信網絡擴展形成更復雜的拓撲結構和完整的環路，我們可以探索安全時頻傳輸、對量子引力的基本測試、大規模幹涉測量應用。分布式量子計算、量子中繼器在不遠的將來也可能實現。

來源：澎湃新聞