2021/01/07 來源：智東西 編譯 | 韋世瑋

1月7日消息，今日凌晨，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉團隊再次登上頂級科學期刊《Nature》，推出量子通信領域的重磅成果，他們通過「墨子號」衛星與京滬幹線的串聯，首次構建了一張集成的空間對地量子通信網絡，綜合通信鏈路距離長達4600公里。據了解，該網絡由700多個光纖量子密鑰分發（QKD）鏈路的大規模光纖網絡，以及2個高速衛星對地自由空間QKD鏈路組成。地面光纖網絡採用可信的中繼結構，覆蓋2000多公里，提供了實際的安全性、可靠性和穩定性。 同時，衛星對地QKD技術的平均密鑰傳輸速率達47.8kb，比之前的「墨子號」衛星實驗提高40倍以上，其信道損耗量與對地靜止衛星與地面之間的信道損耗相近，這使得通過地靜止衛星構建更多功能和超長量子鏈路成為可能。 基於此，研究人員通過結合光纖和自由空間QKD鏈路，將QKD網絡擴展到2600公里外的遠程節點，使網絡內的任何用戶都能與其他人進行通信。目前，在現實條件下，兩個地面用戶之間直接通過光纖分發量子密鑰，最遠距離也只能達到約100公里。這項研究成果已在線發表於《Nature》上，名為《一個超過4600公里的集成星地量子通信網絡（An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres）》。

這是潘建偉團隊繼去年12月與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作研發「九章」量子計算原型機，實現「量子計算優越性」後，又一次在量子領域發表新成果。智東西針對這篇論文，對這項研究成果進行較為完整的復盤和梳理。

一、歷時十年技術沉澱，目標要造全球量子通信網

何為量子通信？它是一種利用量子疊加態和糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式，主要分為量子隱形傳態和量子密鑰分發兩種。而量子密鑰分發（QKD），就是我們這次要聊的主角。它的誕生可以追溯到1989年，IBM的科學家們成功實現了首個QKD實驗，當時的線路僅有32厘米。有意思的是，由於當時的設備操作會發出噪音，因此QKD也被業內調侃為「只有聾子才破解不了量子保密通信」。儘管量子技術離我們的生活還十分遙遠，但是在探測、通信和計算機等領域，中國的量子技術已處於全球領跑水平。尤其是我國在2011年12月立項、2016年8月成功發射升空的「墨子號」量子科學實驗衛星，不僅標誌著我國空間科學研究邁出重要一步，也有效地協助我國科學家們成功將量子通信發展到實用階段。據悉，「墨子號」主要擁有5個有效載荷，包括量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理系統、高速相干雷射通信機等。發射升空後的2017年6月，「墨子號」在一次實驗中成功實現兩個量子糾纏光子被分發到相距超過1200公里的距離，並能繼續保持量子糾纏的狀態。

此次潘建偉團隊的研究成果再次登上Nature，其背後正是這長達10年的技術積累和工作籌備。而這項研究中另一個主角——全長2000多公里的骨幹線，也稱為「京滬幹線」。這是中國首條量子保密通信幹線，歷時三年多建成（2013年7月-2016年11月），在2017年8月底完成全網技術驗收，隨後同年9月29日正式開通。這意味著，這條連接北京上海兩地核心的京滬幹線，將通過廣域光纖量子通信網絡為線上的金融、政務等機構提供加密通信技術支持。但這個網絡的未來肯定不止於此，正如潘建偉院士在今年初的一次採訪中談到：「量子通信的發展目標是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體系。」

二、構建量子廣域網絡的六大挑戰

潘建偉團隊提到，QKD具有實現安全通信和信息傳輸的潛力。不過，一個全球性的QKD網絡需要一個實際安全可靠的QKD網絡，不僅僅是理論上的支持，因為它需要被廣泛地分布在各個地區供大量用戶使用。原則上，量子中繼器能夠為全球網絡提供一個可行的選擇，然而它們不能使用目前的技術部署。但在今天的技術條件下，研究人員認為基於可信中繼的量子網絡是可行的，並有一個被廣泛接受的實現路線圖：通過光纖的城內城域網絡，使用骨幹網的城際連接，以及通過衛星的遠程通信。然而，構建一個能實際應用的大規模量子廣域網還需克服不少挑戰。因為它和經典網絡的構建相似，需要解決的不僅是一個工程問題，還是一個科學問題。

在研究人員看來，一個實用的量子廣域網絡應具備以下條件：

1、兼容連接大規模分布式用戶的多種拓撲結構；

2、解決基本的網絡架構和管理方法；

3、使用標準的QKD設備，便於擴展；

4、維護安全，防範已知和潛在的攻擊；

5、允許不同的實用服務；

6、保持可靠性和長期穩定性。

三、網絡縱跨「北濟合上」，已服務超150個用戶

為了進一步推動這項技術的發展，使其能更快實現落地，需要通過開發基於衛星的高速QKD來提高關鍵速率。潘建偉團隊通過構建一個大型量子網絡，已在這方面取得實質性進展。該網絡由分布於北京、濟南、合肥、上海四地的4個光纖隊列管理器（QMAN），以及一條超2000公里的長距離光纖骨幹網、兩條連接興隆和南山的地星鏈路組成。