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文 | 學術頭條
又是一個裡程碑事件。
2020 年 12 月，由中國科學技術大學潘建偉團隊研發的「九章」量子計算原型機實現「量子計算優越性」，一度引發了業界的廣泛關注。據了解，「九章」在求解 5000 萬個樣本的高斯玻色取樣問題時只需要 200 秒，而目前世界排名第一的超級計算機「富嶽」需要依然 6 億年，「九章」等效地比谷歌的量子計算機「懸鈴木」還快 100 億倍。
1 月 6 日，潘建偉團隊及其合作者又在量子通信方面推出了重磅成果，他們首次展現了一個完整的天地一體化量子通信網絡，綜合通信鏈路距離長達 4600 公裡。相關論文以「An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres」為題，在線發表在頂級科學期刊 Nature 上。
來源：Nature
這項成果中展示的量子通信網絡由 700 多個光纖量子密鑰分發（QKD）鏈路和 2 個高速「衛星-地面」自由空間 QKD 鏈路組成。地面光纖網絡採用可信中繼結構，覆蓋 2000 多公裡，衛星對地面 QKD 的平均密鑰傳輸速率達到每秒 47.8 kb，比之前提高了 40 倍以上，其信道損耗可與對地靜止衛星和地面之間的信道損耗相比，從而使通過地球同步衛星構建更通用和超長的量子鏈路成為可能。
圖｜量子通信衛星與地面站實驗示意圖（來源：中國科學技術大學）
研究人員通過集成光纖和自由空間 QKD 鏈路，QKD 網絡擴展到了 2600 公裡以外的遠程節點，使網絡中的任何用戶都可以與其他任何用戶進行通信。
量子通信是什麼高科技？
簡單來說，利用了量子糾纏的物理特性。在量子力學裡，幾個粒子在彼此相互作用後會綜合形成整體性質，科學家們無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，原理上，無論相距多遠，一對糾纏量子只要其中一粒狀態產生變化，另外一粒也會立即出現相應的轉變，愛因斯坦曾將這種現象稱為「鬼魅般的超距作用」。
而且，由於任何外界的探測都會改變量子糾纏的形態，因而量子通信一旦被竊聽，雙方都會迅速察覺並放棄通信。因此，科學家們基於量子糾纏的原理，可以利用量子密鑰分發（QKD）向通信雙方發送量子糾纏態的光子，在多個通信節點間搭建安全通信的網絡，對傳統的多媒體數據進行加密、解密傳輸。
近年來，基於可信中繼的量子網絡在當今的技術條件下被驗證是可行的，並且有一個廣泛接受的實落地路徑：通過光纖的城內城域網、使用主幹網的城際連接和通過衛星的超長距離通信。
但是，構建一個大規模的能實際應用的量子廣域網需要克服一些挑戰，因為這不僅是一個科學問題，也是一個工程問題。一個實用的量子通信廣域網應該具備以下條件：
與連接大規模區域內分布式用戶的各種拓撲結構兼容；
解決基本的網絡結構和管理方法；
使用適應方便擴展的標準QKD設備；
保持已知的和潛在的安全性；
保持長期的安全性和穩定性。
圖｜集成的天地一體化量子通信網絡圖解（來源：Nature）
如今，潘建偉團隊在這方面取得了實質性進展。如上圖，該網絡線路部署了四個關鍵的隊列管理器（QMAN，紅色箭頭），分別坐落在北京、濟南、合肥和上海，由一條超過 2000 公裡的主幹光纖鏈路和兩條連接興隆和南山的地-星鏈路（相隔 2600 公裡）相連接，在地面上，光纖網絡已服務於 150 多個用戶。
主幹光纖鏈路由可信的中繼連接（主圖像中黃色圓圈），每個 QMAN 由所有三種節點類型組成，網絡中有三種類型的節點：用戶節點（紫色圓圈）、全通光開關（綠色圓圈）和可信中繼（粉色圓圈）。
一顆量子衛星連接到興隆和南山的地面站，興隆通過光纖連接到北京 QMAN，在北京，北京控制中心節點與主幹連接節點位於同一位置。遠在南山的遠程用戶可以與主幹網中的任何節點執行 QKD，而不需要額外的地面站或光纖鏈路。
圖｜興隆地面站的光學系統（a）硬體設備\（b）擴束器\（c）BB84模塊（來源：Nature）
圖｜地面硬體設施：（a） 南山地面站的1.2米望遠鏡；（b） 興隆地面站的1米望遠鏡（來源：Nature）
在量子通信的網絡架構和管理方面，主要由應用層、經典邏輯層、經典物理層、量子邏輯層和量子物理層5 層組成。
圖｜一次量子加密通信的流程（來源：Nature）
論文中舉了個典型的例子，從北京到上海的量子安全通信傳輸大概分幾步？如上圖所示，可能包含 10 個環節。
消息傳輸命令從北京的用戶發送到計算機（1），計算機將命令發送到密鑰管理系統以請求密鑰（2），並發送給路由器以找到用於經典信息傳輸的經典路由（3）。
密鑰管理系統會檢查密鑰是否足夠，如果是，它將密鑰發送到計算機（4）；否則，它將向量子系統伺服器發送命令以生成更多密鑰（5）。
量子系統伺服器將命令發送到量子控制系統（6），該系統會找到最佳密鑰生成路徑並發送命令以生成密鑰（7），密鑰在量子物理層中生成並存儲在密鑰管理系統中（8），在使用密鑰對消息進行編碼或解碼之後（9），信息可以安全地傳輸給上海的用戶（10）。
同時，團隊還開發了不同類型的拓撲結構來研究和處理各種參數，例如成本、安全性和性能等。
城域網、主幹線和高速星-地 QKD
對於北京、濟南、上海和合肥四個關鍵城域網，研究人員採用了不同類型的網絡拓撲結構。
以北京城域網為例，核心是一個由 12 個可信節點組成的環路網絡，這樣的拓撲結構設計能有效避免避免單個節點的故障或拒絕服務，控制中心節點是 12 個環網節點之一，對整個網絡起控制作用。
大多數終端用戶能連接到可信節點，所有的終端用戶都能與鄰近的可信節點共享一個量子密鑰，通過可信節點，他們可以進一步與網絡中的每個人共享信息。不過考慮到降低成本的問題，多數終端用戶只配備了 QKD 發射器，沒有單光子探測器，因為單光子探測器是 QKD 系統中最昂貴的部分。
此外，為了延展更多的用戶，研究人員還提供了一種「全通光開關」，該開關最多可連接 16 個用戶，有助於在任何兩個連接的用戶之間直接生成量子密鑰。於是，北京城域網總共有了 12 個受信任節點用戶和 19 個終端延展用戶。
合肥、濟南和上海城域網設計與北京的類似。目前，濟南城域網擁有的用戶節點最多，該網絡於 2011 年 11 月至 2013 年 11 月建成，包括 3 個可信中繼節點，3 個全通光開關，50 個用戶節點，95 個用戶和 437 條 QKD 鏈路。
圖｜關於該量子通信網絡中的一些關鍵參數（來源：Nature）
主幹線是一個線路拓撲，由 32 個受信任的中繼節點和 31 條鏈路組成。北京、濟南、上海和合肥城域網、主幹網和興隆地面站網絡的平均密鑰速率分別為 12.9kbps、26.3kbps、19.7kbps、11.2kbps、79.3kbps 和 19.6kbps。研究人員還在探索使用多對 QKD 系統來提高主幹線上的安全密鑰率。
圖｜主幹網中繼節點的硬體設置（來源：Nature）
關於高速星-地量子密鑰分發，主要靠位於興隆和南山的兩個地面站，他們之間相距約為 2600 公裡，中間的通信靠中國的「墨子號」量子科學實驗衛星（Micius）。
「墨子號」衛星上安裝了基於 BB84 協議的空間合格 QKD 發射機。BB84 協議是世界上第一個量子密碼協議，是由量子物理學家查爾斯·貝內特（Charles Bennett）和吉爾·布拉薩德（Gilles Brassard）於 1984 年聯合開發的一種量子密鑰分配方案。
圖｜高速星-地 QKD 的性能（來源：Nature）
據論文描述，研究人員改進了入射光束和地面採集系統之間的光學空間模式匹配。與先前的實驗相比，增強後的地面站的接收效率提高了 3 倍。同時，他們使用了新的 5nm 光譜濾光片代替 10nm 濾光片，以進一步抑制背景噪聲。
「墨子號」衛星沿太陽同步軌道運轉，高度約 500 公裡，並於當地時間 00 時左右通過南山地面站時，研究人員進行了量子密鑰分配實驗，獲得了持續時間（364s）的實驗數據。在軌道中心點附近達到最高的篩選密鑰速率為 462kbps。經過高效的 BB84 後處理程序，提取出最終的安全密鑰。
論文中提到，目前，研究人員可以獲得每周大約 36Mbit 的總密鑰大小，通過「墨子號」一顆衛星生成的密鑰可支持大約 6000 個用戶。密鑰速率受到衛星通過時間的限制。團隊展望，在未來如果能形成多顆量子通信衛星組網，則可以大幅度提升網絡性能。
圖｜不同鏈路之間的穩定性監測數據（來源：Nature）
為了展現量子通信網絡的穩定性和可靠性，潘建偉團隊還繪製了 2017 年一年內主幹網四大城域網之間的平均密鑰率變化，系統趨於穩定，最小密鑰速率一般大於 20kbps；以及 2017 年 12 月內，每兩個相鄰節點之間的平均密鑰速率，所有 31 條主幹鏈路的密鑰速率都遠高於 28kbps，最大密鑰速率達到 235.4kbps。
團隊在論文總結中表示，量子通信技術在實際應用中已趨於成熟。隨著主幹線的延伸，將形成更複雜的拓撲結構（包括完整的城域網環路），從而實現安全的時頻傳輸、量子引力的基本測試和用於計量應用的大規模互易測量等可能性。
量子加密通信網絡雛形已現
當然，如今的成果並非一蹴而就，背後直接相關的工作已經跨越了近 10 個年頭。
這項論文中提到的「墨子號」量子科學實驗衛星，於 2011 年 12 月立項，2016 年 8 月發射入軌。該衛星上主要有 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；2017 年 6 月 16 日，墨子號在實驗中實現兩個量子糾纏光子被分發到相距超過 1200 公裡的距離後，仍可繼續保持其量子糾纏的狀態。
而那條全長 2000 餘公裡的主幹線，在國內也被稱作「京滬幹線」，是中國首條量子保密通信幹線，於 2013 年 7 月立項，2016 年 11 月建成，2017 年 8 月底完成了全網技術驗收，並在 2017 年 9 月 29 日正式開通，位於京滬幹線上的金融、政務等機構可利用這一廣域光纖量子通信網絡進行加密通信。
衛星之外，關鍵的地面設施是安徽合肥的量子科學實驗中心，以及四個量子通信地面站（分別位於河北興隆、新疆烏魯木齊南山、青海德令哈、雲南麗江），以及位於西藏阿里的量子隱形傳態實驗站。此外，在歐洲，奧地利科學院和維也納大學的科學家也與中國方面合作，在維也納和格拉茨也部署了量子通信站點。
2018 年 1 月，在中國和奧地利之間首次實現距離達 7600 公裡的洲際量子密鑰分發，並利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。
那麼，量子通信網是否會取代現有的通信網絡？答案是，目的並非如此。日前，潘建偉在接受《科技日報》的採訪中曾表示，量子加密通信並不是要顛覆或者取代現有的通信方式，反而是可以大幅提升現有系統的安全性。
放眼國際，從 1992 年首個量子密鑰分發實驗成功以來，包括美國、中國、俄羅斯、日本以及歐洲多國在內的科研機構都在致力於量子通信網的研發和建設，量子加密通信技術逐漸成為大國未來科技競逐的高地之一。
如今，基於衛星中繼的全球化量子通信網雛形已現。下一步，隨著覆蓋範圍擴大、相關核心器件和技術的迭代，以及相關應用標準和規範制定，量子通信時代或將邁上一個新臺階。關於量子通信的未來，你期待嗎？