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4600公里!中国构建全球首个星地量子通信网

据中国科学技术大学网站消息,北京时间1月7日凌晨,中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作,在国际学术期刊Nature杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”(An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres)的论文。

图源:中国科学技术大学网站

研究团队在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上,构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络,实现了地面跨度4600公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发,并进行了长达两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。论文是对上述成果的一个系统性总结,证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。我国科研人员通过构建天地一体化广域量子保密通信网络的雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。

按通信信道的不同,量子密钥分发主要有光纤和自由空间两种实现方式。光纤QKD技术的信道稳定性较好,不易受到温度、湿度、天气等环境因素影响,可以实现基本恒定的安全码率,在城域城际范围内可以方便的连接到千家万户,而在超远距离、移动目标、岛屿和驻外机构等光纤资源受限的场景,可以通过卫星中转的自由空间信道连接。将地面光纤和自由空间结合,可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通信网络。

量子保密通信京沪干线总长超过2000公里,覆盖四省三市共32个节点,是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线,于2017年9月底正式开通。建设过程中,研究团队攻关了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控监控等系列工程化实现的关键技术。建成后,开展了长达两年多的相关技术验证和应用示范以及大量的稳定性测试、安全性测试及相关标准化研究,通过了光子数分离攻击、致盲攻击、时移攻击、波长依赖攻击和一些潜在的特洛伊木马攻击等安全性测试,结果表明“京沪干线”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻击方案,同时京沪干线网络的密钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。

“墨子号”量子卫星于2016年8月在酒泉卫星发射中心成功发射,圆满完成了预定的全部科学目标。在该工作中,研究团队在优化地面站接收光学系统、提高QKD发射系统时钟频率并应用更高效QKD协议的基础上,最终在南山地面站实现了卫星对地面站的高速量子密钥分发,生成速率比之前的工作高出约40倍。研究团队还成功地将卫星与地面的安全成码距离从1200公里拓展到2000公里,相应的地面站俯仰角跨度可达170°(几乎可覆盖整个天空)。

目前该天地一体化量子通信网络已经接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户。2019年初,国家电网有限公司基于该网络,建立了跨越2600公里、从北京总公司至国网新疆电力有限公司的量子密钥分发信道,实现了电力通信数据加密传输,首次从工程上检验了星地量子通信开展实际业务的可行性。在天地一体化量子通信网络大量测试结果及标准化研究的基础上,全球三大标准化组织之一ISO/IEC正在基于京沪干线的实践编制国际标准《QKD安全要求、测试与评估方法》,另一国际组织ITU也正基于京沪干线的建设模式起草可信中继安全要求、QKD网络功能架构等国际标准。

本工作发展的相关技术也为量子通信系统小型化、低成本、国产化奠定了基础。最近团队成功研制了重量约百公斤的小型地面站,实现了与墨子号的星地量子密钥分发实验,和国际多个地面站的进行了星地量子密钥分发实验,未来有望进一步做到可单人搬运;同时,在保证密钥分发速率的前提下已经成功研制几十公斤的小型化空间量子密钥分发载荷,这些成果也为形成卫星量子通信国际技术标准奠定了基础。

在我国“墨子号”和“京沪干线”等一系列量子通信重要成果的引领下,欧美等国也陆续加快推进量子通信基础设施建设。2020年美国发布《量子网络战略愿景》和《量子互联网国家战略蓝图》,其中《量子网络战略愿景》提出,“未来5年,美国将展示实现量子网络的基础科学和关键技术,从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道,以及洲际天基纠缠分发”;欧盟发布量子旗舰计划《战略研究议程》,提出“3年愿景是利用QKD协议和具有可信中继节点的网络实现全球范围的安全密钥分发,6-10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通信”。

目前,广域量子通信网络的雏形已基本形成,未来在此基础上,可进一步推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛应用。骨干网的扩展,将形成更复杂的拓扑结构,并在基础上构建国家地基授时网络,为定位、导航和授时服务提供保障。另一方面,地面网络与量子卫星结合,为超大尺度量子干涉的相关实验提供了有利基础,如探索量子力学与广义相对论融合等问题,为量子引力的基础检验和用于计量应用的大规模干涉测量提供了可能。

这项工作得到了国家发改委、山东省、安徽省、上海市、中国银行业监督管理委员会、中国科学院、科技部和基金委的支持

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