北京時間1月7日凌晨，中國科學技術大學潘建偉團隊在《自然》雜誌上發表了題為「跨越4600公裡的天地一體化量子通信網絡」的論文，驗證了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。
中國科學技術大學教授潘建偉表示：「我們的工作表明，量子通信技術對於大規模的實際應用已經足夠成熟。類似地，如果把來自不同國家的國家量子網絡合併在一起，並且如果大學，機構和公司聚集在一起以標準化相關協議、硬體等，則可以建立全球量子通信網絡。」
全球首個天地一體化量子通信網絡
研究團隊在量子保密通信京滬幹線與「墨子號」量子衛星成功對接的基礎上，構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(QKD)鏈路和兩個星地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通信網絡，實現了地面跨度4600公裡的星地一體的大範圍、多用戶量子密鑰分發，並進行了長達兩年多的穩定性和安全性測試、標準化研究以及政務金融電力等不同領域的應用示範。
這項研究成果由潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作。
「論文是對上述成果的一個系統性總結，證明了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。我國科研人員通過構建天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。」中國科學技術大學在官方網站上稱。
儘管研究論文是一項總結性的工作，但是意義重大。自「墨子號」量子衛星於2016年8月發射以來，研究團隊在優化地面站接收光學系統、提高QKD發射系統時鐘頻率並應用更高效QKD協議的基礎上，實現了衛星對地面站的高速量子密鑰分發，生成速率比之前的工作高出約40倍；研究團隊還成功地將衛星與地面的安全成碼距離從1200公裡拓展到2000公裡，相應的地面站俯仰角跨度可達170°，幾乎可覆蓋整個天空。
「文章的發表比實際工作晚上幾年很正常，因為期間需要進行大量的驗證工作，這也體現了科學的嚴謹性。」一位量子通信領域專家對第一財經記者表示，「中國也是唯一一個具有驗證天地一體化量子通信網絡可行性能力的國家。」
與傳統的加密不同，量子通信被認為是不可破解的，因此銀行，電網和其他部門的安全信息傳輸的未來。量子通信的核心是量子密鑰分發（QKD），它使用粒子的量子狀態（例如光子）形成一串加密字符串或者密鑰，在發送方和接收方之間進行的任何竊聽都會更改此字符串或密鑰，並立即引起注意。
目前普遍的QKD技術使用光纖進行數百公裡的傳輸，具有很高的穩定性，但對通信信道損耗很大；而利用衛星和地面站之間的自由空間進行千公裡級別的傳輸，將地面光纖和自由空間結合，可以實現大規模、全覆蓋的全球化量子通信網絡。
根據中國科學技術大學介紹，按通信信道的不同，量子密鑰分發主要有光纖和自由空間兩種實現方式。光纖QKD技術的信道穩定性較好，可以實現基本恆定的安全碼率，在城域城際範圍內可以方便的連接到千家萬戶；在超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構等光纖資源受限的場景，可以通過衛星中轉的自由空間信道連接。
量子通信網絡已接入多個行業領域
2017年9月底正式開通的量子保密通信京滬幹線，總長超過2000公裡，覆蓋四省三市共32個節點，是目前世界上最遠距離的基於可信中繼方案的量子安全密鑰分發乾線。研究團隊攻關了高速量子密鑰分發、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規模量子網絡管控監控等系列工程化實現的關鍵技術。建成後，開展了長達兩年多的相關技術驗證和應用示範以及大量的穩定性測試、安全性測試及相關標準化研究，同時京滬幹線網絡的密鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。
目前該天地一體化量子通信網絡已經接入包括金融、電力、政務等150多家行業用戶。2019年初，國家電網有限公司基於該網絡，建立了跨越2600公裡的量子密鑰分發信道，實現了電力通信數據加密傳輸，首次從工程上檢驗了星地量子通信開展實際業務的可行性。
「本工作發展的相關技術也為量子通信系統小型化、低成本、國產化奠定了基礎。」中國科學技術大學方面表示，「最近團隊成功研製了重量約百公斤的小型地面站，實現了與墨子號的星地量子密鑰分發實驗，和國際多個地面站的進行了星地量子密鑰分發實驗，未來有望進一步做到可單人搬運；同時，在保證密鑰分發速率的前提下已經成功研製幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發載荷，這些成果也為形成衛星量子通信國際技術標準奠定了基礎。」
根據《自然》論文，未來該團隊將與來自奧地利、義大利、俄羅斯和加拿大的國際合作夥伴進一步擴大在中國的網絡。他們還將致力於開發小型、經濟高效的QKD衛星和地面接收器，以及中高地球軌道衛星，以實現空前的萬公裡級QKD傳輸。
另據中國科學技術大學介紹，在天地一體化量子通信網絡大量測試結果及標準化研究的基礎上，全球三大標準化組織之一ISO/IEC正在基於京滬幹線的實踐編制國際標準《QKD安全要求、測試與評估方法》，另一國際組織ITU也正基於京滬幹線的建設模式起草可信中繼安全要求、QKD網絡功能架構等國際標準。