「計劃在未來 5-6 年後發射一顆中高軌衛星，實現 24 小時全天的星地量子通信。」作為中國構建全球首個星地量子通信網的參與者之一，中國科技大學陳宇翱教授如是告訴 DeepTech。
1 月 7 日，中國科技大學潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等人組成的研究團隊，成功實現了首個星地一體的大範圍、多用戶量子密鑰分發，地面跨度 4600 公裡，驗證了構建天地一體化量子通信網絡的可行性。
此前，量子保密通信「京滬幹線」、和「墨子號」量子衛星已經成功對接，基於此該團隊構建了全球首個集成 700 多條地面光纖量子密鑰分發（QKD）鏈路、和兩個衛星對地自由空間高速 QKD 鏈路的廣域量子通信網絡。
圖 | 量子通信網絡示意圖：1條橙色路線代表地面光纖線路（ 2000 公裡），2 個藍色方塊代表地面衛星站（地面距離 2600 公裡），4 個白框對應 4 個城市的量子城域網
這條跨越 4600 公裡的量子通信網絡，已經過了兩年多的穩定性和安全性測試，並在政務、金融、電力等領域進行了實際應用示範，已服務超過 150 名用戶。
相關論文發表於 Nature 雜誌上，題為「跨越 4600 公裡的天地一體化量子通信網絡」（ An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres ），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以及中國有線電視網絡有限公司均參與研究。
論文指出，這項工作證明了廣域量子通信技術已初步具備實際應用條件。該量子網絡可以作為技術實現基礎，未來藉助更多的地面光纖和衛星，可以實現更大規模的，甚至是覆蓋全球的量子保密通信網絡。
陳宇翱指出：「我們希望通過在量子通信領域的研究幫助行業建立一個早期標準。未來我們也會通過持續不斷的深入研究，助力國際量子通信領域標準化的落地。」
那麼，什麼是量子密鑰分發？
簡單來說，量子密鑰就是將一串「 0 」和「 1 」組成的數字串加載到光子量子態上，通信雙方共享一個密鑰並用它來進行信息加密、以及信息解密。
之所以很安全，是因為量子態一旦被觀測、或測量就會被破壞，所以一個未知的量子態無法被準確複製。如果有人嘗試竊取和讀取上面的數字串，就會被察覺。
但就像傳輸電信號一樣，光子在傳輸過程中也會有出現損耗，而實現遠距離量子通信的核心其實就是如何更好地實現量子密鑰分發（QKD）。
圖 | 最新研究中骨幹網的中繼節點硬體設備
據中科大介紹，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，不易受溫度、溼度、天氣等環境因素影響，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；而在超遠距離、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。」
迄今為止，在無中繼站情況下，使用低損耗光纖可以支持超過 500 公裡的量子密鑰分發。而使用衛星則可以實現超過 1000 公裡的星地通信鏈路，此前中科大潘建偉、印娟等人分別在 2017 年和 2020 年藉助「墨子號」衛星實現了這一點。
如能將兩者有效結合，就有望實現覆蓋全球的量子通信網絡。
「星地結合」，打造天地一體化量子通信網絡
這次實現的 4600 公裡量子保密通信距離，由兩部分組成：地面上的超過 2000 公裡的量子保密通信「京滬幹線」，以及藉助太空中「墨子號」衛星實現的 2600 公裡通信鏈路。
其中地面上的「京滬幹線」開通於 2017 年 9 月，由中國科大作為項目主體建設，全長 2000 多公裡，沿途設置了 32 個節點作為中繼站，囊括北京、濟南、合肥和上海 4 個量子城域網，是目前世界上最長的基於可信中繼方案的量子安全密鑰分發乾線。
在「京滬幹線」建成以後，研究人員開展了兩年多的技術驗證、應用示範、穩定性測試、安全性測試以及相關標準化研究，結果顯示它可以抵禦目前所有已知的量子黑客攻擊方案，包括光子數分離攻擊、致盲攻擊、時移攻擊、波長依賴攻擊等等，網絡的密鑰分發量可以支持 1.2 萬以上用戶同時使用。
圖 | 兩個地面站的望遠鏡，南山站（左），興隆站（右）
至於天空中的「墨子號」，是 2016 年 8 月發射升空的量子衛星。在過去幾年裡，它幫助多個科研團隊取得了突破性成果。它可以在興隆和南山兩個地面站之間傳輸數據，兩個站點相距 2600 公裡，其中興隆地面站與北京量子城域網通過光纖連接。
在最新研究中，研究人員對軟硬體均做了改良，並通過優化地面站接收光學系統、和提高 QKD 發射系統時鐘頻率、以及使用更高效的 QKD 協議，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。
數據顯示，使用「墨子號」衛星網絡的平均碼率可達 47.8 kbps 。此外，這次實現的星地 QKD 距離提升到了 2000 公裡，打破了之前的 1200 公裡記錄。
圖 | 量子通信網絡的基本信息和平均速率
原因是衛星與地面通信的覆蓋範圍（夾角）從 120° 拓展到了 170° ，已十分接近 180° 的地平線（覆蓋整個天空）。其信道損耗，也能跟對地靜止衛星和地面站之間的信道損耗相媲美，從而讓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。
在南山地面站的用戶，可以通過衛星與「京滬幹線」上任一節點實現量子密鑰分發，無需額外的光纖鏈路支持。
圖 | 衛星覆蓋夾角達到了170°
論文還簡單描述了北京和上海之間是如何進行量子安全通信的。示意圖如下：
圖 | 網絡架構和管理示意圖
假設一名北京用戶想要發送信息給上海用戶，計算機會首先向密鑰管理系統索要密鑰，同時向路由器發送指令尋找經典信息傳輸路徑。
隨後，密鑰管理系統會檢查密鑰是否足夠。如果足夠，就會將密鑰發給計算機；否則就會向量子系統伺服器發送指令，要求生成更多密鑰。
隨後量子系統伺服器會向量子控制系統傳達該指令，找到最優的密鑰生成路徑，發送生成密鑰的指令。
最終，量子物理層中會生成密鑰、並儲存在量子管理系統中。在使用密鑰對信息進行編碼或解碼後，信息就會安全地傳輸給上海的用戶。
突破重圍：助力國際QKD網絡架構標準建立
值得一提的是，關於 QKD 技術的研究在國際上卻呈現不同的趨勢。
2020 年 11 月 18 日，美國國家安全局（ NSA ）發表了一篇關於量子密鑰分發和量子密碼術《Quantum Key Distribution (QKD) and Quantum Cryptography(QC) 》的政策報告。
報告中 NSA 不建議使用量子密鑰分發和量子密碼術來確保國家安全系統（ NSS ）中的數據傳輸。並認為目前美國的 QKD 存在著一些技術困難，包括 QKD 無法進行客戶身份識別、專業光纖連接發布設備存在安全漏洞、基礎架構成本及風險增加、安全性驗證難以通過、DOS 風險上升等問題。
NSA 表示如果無法解決上述問題，將不再支持使用 QKD、或 QC 來保護通信，並且不允許美國國家安全系統（ NSS ）客戶使用的任何 QKD 或 QC 安全產品去進行認證或批准。
2016 年，英國國家網絡安全中心（ NCSC ）也曾發布一份白皮書，建議撤銷量子密鑰分發技術的發展。在白皮書中 NCSC 指出，QKD 存在的問題與日前 NSA 發布的報告大致相同。
而在 2020 年 3 月，NCSC 新發布的白皮書中顯示，已經針對 QKD 存在的安全隱患問題，給出了一些可行性的技術解決方向。
於此形成對比的是，全球三大標準化組織之一的 ISO/IEC ，也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。
陳宇翱透露，未來的量子通信研究將會圍繞小型化、低成本展開。目前，研究團隊已經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。