中國(guó)建成全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)絡(luò)

“計(jì)劃在未來(lái) 5-6 年后發(fā)射一顆中高軌衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)全天時(shí)的星地量子通信?！弊鳛橹袊?guó)構(gòu)建全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)的參與者之一，中國(guó)科技大學(xué)陳宇翱教授如是告訴 DeepTech。

1 月 7 日，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功實(shí)現(xiàn)了首個(gè)星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)，地面跨度 4600 公里，驗(yàn)證了構(gòu)建天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。

此前，量子保密通信“京滬干線”、和“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星已經(jīng)成功對(duì)接，基于此該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全球首個(gè)集成 700 多條地面光纖量子密鑰分發(fā)（QKD）鏈路、和兩個(gè)衛(wèi)星對(duì)地自由空間高速 QKD 鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

圖 | 量子通信網(wǎng)絡(luò)示意圖：1條橙色路線代表地面光纖線路（ 2000 公里），2 個(gè)藍(lán)色方塊代表地面衛(wèi)星站（地面距離 2600 公里），4 個(gè)白框?qū)?yīng) 4 個(gè)城市的量子城域網(wǎng)

這條跨越 4600 公里的量子通信網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)過了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試，并在政務(wù)、金融、電力等領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用示范，已服務(wù)超過 150 名用戶。

相關(guān)論文發(fā)表于 Nature 雜志上，題為“跨越 4600 公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”（ An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres ），中國(guó)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)研究院以及中國(guó)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司均參與研究。

論文指出，這項(xiàng)工作證明了廣域量子通信技術(shù)已初步具備實(shí)際應(yīng)用條件。該量子網(wǎng)絡(luò)可以作為技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，未來(lái)借助更多的地面光纖和衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的，甚至是覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。

陳宇翱指出：“我們希望通過在量子通信領(lǐng)域的研究幫助行業(yè)建立一個(gè)早期標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)我們也會(huì)通過持續(xù)不斷的深入研究，助力國(guó)際量子通信領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化的落地。”

那么，什么是量子密鑰分發(fā)？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子密鑰就是將一串“ 0 ”和“ 1 ”組成的數(shù)字串加載到光子量子態(tài)上，通信雙方共享一個(gè)密鑰并用它來(lái)進(jìn)行信息加密、以及信息解密。

之所以很安全，是因?yàn)榱孔討B(tài)一旦被觀測(cè)、或測(cè)量就會(huì)被破壞，所以一個(gè)未知的量子態(tài)無(wú)法被準(zhǔn)確復(fù)制。如果有人嘗試竊取和讀取上面的數(shù)字串，就會(huì)被察覺。

但就像傳輸電信號(hào)一樣，光子在傳輸過程中也會(huì)有出現(xiàn)損耗，而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信的核心其實(shí)就是如何更好地實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)（QKD）。

據(jù)中科大介紹，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)可以方便的連接到千家萬(wàn)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。”

迄今為止，在無(wú)中繼站情況下，使用低損耗光纖可以支持超過 500 公里的量子密鑰分發(fā)。而使用衛(wèi)星則可以實(shí)現(xiàn)超過 1000 公里的星地通信鏈路，此前中科大潘建偉、印娟等人分別在 2017 年和 2020 年借助“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

如能將兩者有效結(jié)合，就有望實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

“星地結(jié)合”，打造天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)

這次實(shí)現(xiàn)的 4600 公里量子保密通信距離，由兩部分組成：地面上的超過 2000 公里的量子保密通信“京滬干線”，以及借助太空中“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的 2600 公里通信鏈路。

其中地面上的“京滬干線”開通于 2017 年 9 月，由中國(guó)科大作為項(xiàng)目主體建設(shè)，全長(zhǎng) 2000 多公里，沿途設(shè)置了 32 個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼站，囊括北京、濟(jì)南、合肥和上海 4 個(gè)量子城域網(wǎng)，是目前世界上最長(zhǎng)的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線。

在“京滬干線”建成以后，研究人員開展了兩年多的技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用示范、穩(wěn)定性測(cè)試、安全性測(cè)試以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究，結(jié)果顯示它可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案，包括光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時(shí)移攻擊、波長(zhǎng)依賴攻擊等等，網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持 1.2 萬(wàn)以上用戶同時(shí)使用。

至于天空中的“墨子號(hào)”，是 2016 年 8 月發(fā)射升空的量子衛(wèi)星。在過去幾年里，它幫助多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)取得了突破性成果。它可以在興隆和南山兩個(gè)地面站之間傳輸數(shù)據(jù)，兩個(gè)站點(diǎn)相距 2600 公里，其中興隆地面站與北京量子城域網(wǎng)通過光纖連接。

在最新研究中，研究人員對(duì)軟硬件均做了改良，并通過優(yōu)化地面站接收光學(xué)系統(tǒng)、和提高 QKD 發(fā)射系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、以及使用更高效的 QKD 協(xié)議，最終在南山地面站實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星對(duì)地面站的高速量子密鑰分發(fā)，生成速率比之前的工作高出約 40 倍。

數(shù)據(jù)顯示，使用“墨子號(hào)”衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的平均碼率可達(dá) 47.8 kbps 。此外，這次實(shí)現(xiàn)的星地 QKD 距離提升到了 2000 公里，打破了之前的 1200 公里記錄。

圖 | 量子通信網(wǎng)絡(luò)的基本信息和平均速率

原因是衛(wèi)星與地面通信的覆蓋范圍（夾角）從 120° 拓展到了 170° ，已十分接近 180° 的地平線（覆蓋整個(gè)天空）。其信道損耗，也能跟對(duì)地靜止衛(wèi)星和地面站之間的信道損耗相媲美，從而讓通過地球同步衛(wèi)星構(gòu)建更通用和超長(zhǎng)的量子鏈路成為可能。

在南山地面站的用戶，可以通過衛(wèi)星與“京滬干線”上任一節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，無(wú)需額外的光纖鏈路支持。

圖 | 衛(wèi)星覆蓋夾角達(dá)到了170°

論文還簡(jiǎn)單描述了北京和上海之間是如何進(jìn)行量子安全通信的。示意圖如下：

圖 | 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理示意圖

假設(shè)一名北京用戶想要發(fā)送信息給上海用戶，計(jì)算機(jī)會(huì)首先向密鑰管理系統(tǒng)索要密鑰，同時(shí)向路由器發(fā)送指令尋找經(jīng)典信息傳輸路徑。

隨后，密鑰管理系統(tǒng)會(huì)檢查密鑰是否足夠。如果足夠，就會(huì)將密鑰發(fā)給計(jì)算機(jī)；否則就會(huì)向量子系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送指令，要求生成更多密鑰。

隨后量子系統(tǒng)服務(wù)器會(huì)向量子控制系統(tǒng)傳達(dá)該指令，找到最優(yōu)的密鑰生成路徑，發(fā)送生成密鑰的指令。

最終，量子物理層中會(huì)生成密鑰、并儲(chǔ)存在量子管理系統(tǒng)中。在使用密鑰對(duì)信息進(jìn)行編碼或解碼后，信息就會(huì)安全地傳輸給上海的用戶。

突破重圍：助力國(guó)際QKD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)建立

值得一提的是，關(guān)于 QKD 技術(shù)的研究在國(guó)際上卻呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。

2020 年 11 月 18 日，美國(guó)國(guó)家安全局（ NSA ）發(fā)表了一篇關(guān)于量子密鑰分發(fā)和量子密碼術(shù)《Quantum Key Distribution (QKD) and Quantum Cryptography(QC) 》的政策報(bào)告。

報(bào)告中 NSA 不建議使用量子密鑰分發(fā)和量子密碼術(shù)來(lái)確保國(guó)家安全系統(tǒng)（ NSS ）中的數(shù)據(jù)傳輸。并認(rèn)為目前美國(guó)的 QKD 存在著一些技術(shù)困難，包括 QKD 無(wú)法進(jìn)行客戶身份識(shí)別、專業(yè)光纖連接發(fā)布設(shè)備存在安全漏洞、基礎(chǔ)架構(gòu)成本及風(fēng)險(xiǎn)增加、安全性驗(yàn)證難以通過、DOS 風(fēng)險(xiǎn)上升等問題。

NSA 表示如果無(wú)法解決上述問題，將不再支持使用 QKD、或 QC 來(lái)保護(hù)通信，并且不允許美國(guó)國(guó)家安全系統(tǒng)（ NSS ）客戶使用的任何 QKD 或 QC 安全產(chǎn)品去進(jìn)行認(rèn)證或批準(zhǔn)。

2016 年，英國(guó)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全中心（ NCSC ）也曾發(fā)布一份白皮書，建議撤銷量子密鑰分發(fā)技術(shù)的發(fā)展。在白皮書中 NCSC 指出，QKD 存在的問題與日前 NSA 發(fā)布的報(bào)告大致相同。

而在 2020 年 3 月，NCSC 新發(fā)布的白皮書中顯示，已經(jīng)針對(duì) QKD 存在的安全隱患問題，給出了一些可行性的技術(shù)解決方向。

于此形成對(duì)比的是，全球三大標(biāo)準(zhǔn)化組織之一的 ISO/IEC ，也正在基于京滬干線的實(shí)踐編制國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《QKD安全要求、測(cè)試與評(píng)估方法 》，另一國(guó)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

陳宇翱透露，未來(lái)的量子通信研究將會(huì)圍繞小型化、低成本展開。目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)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(guó)際多個(gè)地面站的進(jìn)行了星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，未來(lái)有望進(jìn)一步做到可單人搬運(yùn)。

原文標(biāo)題：歷時(shí)3年，跨越4600公里，中國(guó)建成全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)絡(luò)！中科大重磅研究成果再登Nature

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