我國成功構(gòu)建天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)

記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，在量子保密通信京滬干線與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星成功對(duì)接的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了世界上首個(gè)集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)(QKD)鏈路和兩個(gè)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(shí)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)，并進(jìn)行了長達(dá)兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)化研究以及政務(wù)金融電力等不同領(lǐng)域的應(yīng)用示范。北京時(shí)間1月7日凌晨，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上發(fā)表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”的成果論文。

研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)前期成果的一個(gè)系統(tǒng)性總結(jié)，證明了廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的條件已初步成熟。我國科研人員通過構(gòu)建天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，為未來實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

按通信信道的不同，量子密鑰分發(fā)主要有光纖和自由空間兩種實(shí)現(xiàn)方式。光纖QKD技術(shù)的信道穩(wěn)定性較好，不易受到溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，可以實(shí)現(xiàn)基本恒定的安全碼率，在城域城際范圍內(nèi)可以方便地連接到千家萬戶，而在超遠(yuǎn)距離、移動(dòng)目標(biāo)、島嶼和駐外機(jī)構(gòu)等光纖資源受限的場(chǎng)景，可以通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道連接。將地面光纖和自由空間結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)悉，量子保密通信京滬干線總長超過2000公里，覆蓋四省三市共32個(gè)節(jié)點(diǎn)，是目前世界上最遠(yuǎn)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。“墨子號(hào)”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(biāo)。目前該天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)接入包括金融、電力、政務(wù)等150多家行業(yè)用戶。2019年初，國家電網(wǎng)有限公司基于該網(wǎng)絡(luò)，建立了跨越2600公里、從北京總公司至國網(wǎng)新疆電力有限公司的量子密鑰分發(fā)信道，實(shí)現(xiàn)了電力通信數(shù)據(jù)加密傳輸，首次從工程上檢驗(yàn)了星地量子通信開展實(shí)際業(yè)務(wù)的可行性。在天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)大量測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化研究的基礎(chǔ)上，全球三大標(biāo)準(zhǔn)化組織之一ISO/IEC正在基于京滬干線的實(shí)踐編制國際標(biāo)準(zhǔn)《QKD安全要求、測(cè)試與評(píng)估方法》，另一國際組織ITU也正基于京滬干線的建設(shè)模式起草可信中繼安全要求、QKD網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)等國際標(biāo)準(zhǔn)。

我國科研團(tuán)隊(duì)發(fā)展的相關(guān)技術(shù)也為量子通信系統(tǒng)小型化、低成本、國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。最近團(tuán)隊(duì)成功研制了重量約百公斤的小型地面站，實(shí)現(xiàn)了與墨子號(hào)的星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，和國際多個(gè)地面站進(jìn)行了星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，未來有望進(jìn)一步做到可單人搬運(yùn);同時(shí)，在保證密鑰分發(fā)速率的前提下已經(jīng)成功研制幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發(fā)載荷，這些成果也為形成衛(wèi)星量子通信國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步推動(dòng)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(kuò)展，將形成更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在基礎(chǔ)上構(gòu)建國家地基授時(shí)網(wǎng)絡(luò)，為定位、導(dǎo)航和授時(shí)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(shí)驗(yàn)提供了有利基礎(chǔ)，如探索量子力學(xué)與廣義相對(duì)論融合等問題，為量子引力的基礎(chǔ)檢驗(yàn)和用于計(jì)量應(yīng)用的大規(guī)模干涉測(cè)量提供了可能。((記者 吳長鋒))

關(guān)鍵詞： 天地一體化 量子通信網(wǎng)絡(luò)