潘建偉研究團隊構(gòu)建全球首個星地量子通信網(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(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(xué)術(shù)期刊Nature，題為Anintegratedspace-to-groundquantumcommunicationnetworkover4，600kilometres（跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)）。

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(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quantumkeydistribution）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。

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(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(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、目標(biāo)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(luò)。

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Q(mào)KD鏈路。

無疑，這在世界領(lǐng)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。

據(jù)了解，團隊進行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測試、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。

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(luò)的信道損耗相當(dāng)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(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”的量子物理學(xué)家、中國科學(xué)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‘squantumspacepioneer）。

2020年11月，在騰訊科學(xué)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(luò)技術(shù)體系。

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