來源/中國科學技術大學
新民晚報訊（記者 郜陽）中國科學家利用量子保密通信「京滬幹線」和「墨子號」量子科學實驗衛星，成功組建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發鏈路和兩條衛星對地自由空間高速量子密鑰分發鏈路的廣域量子通信網絡，實現地面跨度4600公裡、天地一體的大範圍、多用戶量子密鑰分發，證明廣域量子通信技術實際應用已經初步成熟，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定堅實的科學技術基礎。該成果1月7日發表於國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）。
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。光纖量子密鑰分發技術的信道穩定性較好，不易受溫度、溼度、天氣等環境因素影響，但由於光纖固有衰減特性，光纖量子密鑰分發傳輸距離限制在百公裡量級。自由空間量子密鑰分發以大氣層和外太空的自由空間為傳輸介質，光子在自由空間中具有低損耗特性，這使得基於衛星平臺的千公裡以上量級量子密鑰分發成為可能。
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，於2017年9月底正式開通。建設過程中，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，通過了光子數分離攻擊、致盲攻擊、時移攻擊、波長依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測試，結果表明：「京滬幹線」可以抵禦目前所有已知的量子黑客攻擊方案，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。
「墨子號」量子衛星於2016年8月在酒泉衛星發射中心成功發射，圓滿完成了預定的全部科學目標。在該工作中，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，最終在南山地面站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）。
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、從北京總公司至國網新疆電力有限公司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。
這一成果由中國科學技術大學潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究團隊、濟南量子技術研究院研究人員及中國有線電視網絡有限公司合作完成。