當(dāng)前，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。量子科技浪潮的演進(jìn)，有望改變和提升人類(lèi)獲取、傳輸和處理信息的方式和能力，為未來(lái)信息社會(huì)的演進(jìn)和發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

我國(guó)高度重視量子信息科技的發(fā)展，在量子信息科技領(lǐng)域突破了一系列重要科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵核心技術(shù)，產(chǎn)出了一批具有重要國(guó)際影響力的成果。

其中早已初具雛形的天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)迎來(lái)了新的突破，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。

來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示，北京時(shí)間1月7日凌晨，中國(guó)科大潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國(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)研究院及中國(guó)有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature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)”的論文。

論文顯示，研究團(tuán)隊(duì)在量子保密通信京滬干線(xiàn)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(hù)量子密鑰分發(fā)，并進(jìn)行了長(zhǎng)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。

本工作發(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(guó)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(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)；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(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

什么是量子密鑰分發(fā)？

所謂量子密鑰分發(fā)，簡(jiǎn)單說(shuō)，即在遙遠(yuǎn)兩地的用戶(hù)間生成并安全共享一組量子密鑰，為所傳輸?shù)亩M(jìn)制信息加密。這種量子通信方式之所以被科學(xué)家們寄予厚望，是因?yàn)槌诵畔⒌陌l(fā)送、接收方，如果有第三方試圖復(fù)制或竊聽(tīng)量子密鑰，則通信的雙方便會(huì)立刻察覺(jué)。

與傳統(tǒng)方式不同，量子密鑰分發(fā)理論上是無(wú)條件安全的，其安全性由量子力學(xué)的基本原理保證。量子不可克隆定理說(shuō)明，無(wú)法完美克隆任意量子態(tài)。因此，任何對(duì)量子密鑰分發(fā)過(guò)程的竊聽(tīng)，都有可能改變量子態(tài)本身，造成高誤碼率，從而使竊聽(tīng)被發(fā)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，QKD過(guò)程中對(duì)量子態(tài)的傳輸，是依靠對(duì)光子進(jìn)行編碼、傳輸、測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。

按通信信道的不同，量子密鑰分發(fā)主要分為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，可實(shí)現(xiàn)基本恒定的安全碼率，同時(shí)，在城域城際范圍內(nèi)可以方便的連接到千家萬(wàn)戶(hù)；

·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，可通過(guò)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)。

量子通信技術(shù)應(yīng)用前景廣闊

量子通信具有不可竊聽(tīng)、不可破譯的特點(diǎn)，能夠保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全性和自主可控維度。這意味著，對(duì)于軍事、國(guó)防、工業(yè)、金融等信息安全領(lǐng)域及航天、深海等特殊通信領(lǐng)域而言，量子通信都具有重大應(yīng)用價(jià)值與前景。

·2016年8月，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿(mǎn)完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。基于“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作與技術(shù)積累，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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；同時(shí)，其成功地將衛(wèi)星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里，相應(yīng)的地面站俯仰角跨度可達(dá)170°，幾乎可覆蓋整個(gè)天空。

·2017年9月29日，國(guó)際上首條千公里級(jí)量子保密通信骨干網(wǎng)、國(guó)家發(fā)改委“京滬干線(xiàn)”正式開(kāi)通，總長(zhǎng)超過(guò)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(xiàn)。并結(jié)合“京滬干線(xiàn)”與“墨子號(hào)”的天地鏈路，成功演示了北京與奧地利維也納之間的洲際量子保密通信，這標(biāo)志著我國(guó)已成功構(gòu)建國(guó)際上首個(gè)天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形。

·除此之外，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(hù)。2019年初，國(guó)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(guó)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(kāi)展實(shí)際業(yè)務(wù)的可行性。

我國(guó)量子通信技術(shù)發(fā)展引領(lǐng)世界

我國(guó)在量子信息科技領(lǐng)域突破了一系列重要科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵核心技術(shù)，產(chǎn)出了一批具有重要國(guó)際影響力的成果。在我國(guó)“墨子號(hào)”和“京滬干線(xiàn)”等一系列量子通信重要成果的引領(lǐng)下，歐美等國(guó)也陸續(xù)加快推進(jìn)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

·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(xiàn)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(xiàn)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)。

·2020年美國(guó)發(fā)布《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》和《量子互聯(lián)網(wǎng)國(guó)家戰(zhàn)略藍(lán)圖》，其中《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》提出，“未來(lái)5年，美國(guó)將展示實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)”；

·歐盟發(fā)布量子旗艦計(jì)劃《戰(zhàn)略研究議程》，提出“3年愿景是利用QKD協(xié)議和具有可信中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球范圍的安全密鑰分發(fā)，6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通信”。

總結(jié)

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(guó)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)。

我國(guó)科研人員通過(guò)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(lái)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)。同時(shí)，未來(lái)在此基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步推動(dòng)量子通信技術(shù)走向金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛實(shí)際應(yīng)用。

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