中國科學技術大學潘建偉團隊與中國科學院上海技術物理研究所等單位合作，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，成功組建了世界上首個天地一體化的廣域量子通信網絡，該網絡覆蓋範圍從北京到上海，並通過衛星連接到了烏魯木齊。
近日，這一成果有關論文在國際學術期刊Nature雜誌上以「跨越4600公裡的天地一體化量子通信網絡」為題發表。論文中提到，這項工作表明量子技術成熟到了足以實用的地步，能夠通過地面光纖及衛星將更多國家量子網絡連接起來，進而實現全球量子網絡。
量子通信是一種未來科技，是全世界都在爭相研究的前沿與焦點領域。此次成果的取得，意味著在量子通信的領域，中國可以很驕傲地說，我們正處於世界領先的地位。
什麼是量子通信網
量子通信的原理不難理解，它主要是通過量子密鑰分發來確保通信的安全性。簡單來說，量子密鑰就是將一串二進位數字串加載到光子量子態上。當處於不同地區的兩組用戶希望進行通信時，他們會生成並安全共享一組量子密鑰，通過這種方式對傳輸的信息進行加密和解密。
與傳統的通信方式相比，量子通信有著極高的安全性。這是由量子不可克隆定理決定的。由於任何的量子態都無法被完美複製，所以所有的對量子觀測、測量的過程都會對量子態造成破壞，繼而產生較高的誤碼率。這意味著如果有人企圖竊聽或讀取量子密鑰都會被通信雙方察覺，這也使得信息傳輸的安全性能夠被保證。
按通信信道的不同，量子密鑰分發主要分為光纖和自由空間兩種實現方式。前一種實現方式具有較好的穩定性，不易受到溫度、溼度、天氣等環境因素影響。而後一種方式更適用於在超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構等光纖資源受限的場景，具體是通過衛星中轉的自由空間信道連接達成的。
通過兩種方式的優勢互補與結合，量子通信的範圍得以向更大範圍延伸，可以實現大規模、全覆蓋的全球化量子通信網絡，也就是所謂的天地一體化量子通信網。
據了解，整個通信網絡覆蓋了北京、濟南、合肥和上海四個量子城域網，由一條「京滬幹線」連接起來，並有兩個衛星地面站與「墨子號」衛星相連。其中，幹線長2000公裡，衛星地面站相距2600公裡，這意味著網絡內的用戶可以實現最長達到4600公裡的量子通信。
量子通信技術的應用前景
關於量子通信技術未來的應用前景，潘建偉教授曾經提到，儘管量子通信是一個新興領域，但它並不會取代我們目前現有的通信方式；相反，考慮到量子通信具有極為可靠的保密性，該技術將以一種新的途徑來提高現有信息系統的安全性，實現無條件的保密通信，抵禦黑客攻擊，保護用戶的信息安全。有了量子通信技術，國防、金融、政務、商業等多個領域的信息安全問題都能從根本上被解決。因此，量子通信技術被視為保障未來信息社會通信安全的重要基礎技術，有著重大的應用價值和前景。
潘建偉教授曾舉出了一些具體的例子來說明量子通信技術的重要性。他表示，「信息安全不僅對國家很重要，對個人來說也是非常重要的。比如每天銀行的轉款、銀行的帳戶信息、密碼都是不能洩露的；無人駕駛的時候，遠程控制汽車系統要儘可能防止被黑客攻擊，不然車輛行駛的安全就得不到保證。量子通信在原理上可以提供一種無條件安全通信的手段，可以在未來大幅度提升信息安全的水平。」
對抗量子攻擊是量子通信網需要克服的一大難題。建成後，研發團隊開展了長達兩年多的研究，通過模擬光子數分離攻擊、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來進行測試，對「京滬幹線」的穩定性與安全性做出了驗證。結果表明該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。
目前，星地量子通信網已經接入包括金融、電力、政務等多個行業的150多家用戶。該網絡有著極高的平均成碼率，可達47.8千比特每秒，比2017年時藉助「墨子號」衛星實現的1200千米距離內的量子通信的平均成碼率高出四十餘倍。
引領世界的量子通信技術
此次裡程碑式的突破的背後，是中國量子科技領域科研人員長達十幾年來不斷的努力。「墨子號」量子科學實驗衛星項目於2011年12月立項，京滬幹線項目於2013年7月立項，在近十年的時間裡，中國的量子通信從跟跑、並跑，再到領跑，最後步入科技「無人區」，成為引領者，這個過程離不開腳踏實地、勇於創新、不畏困難、不急功近利的科研工作者的持續付出。
我國在量子信息科技領域的一系列成果具有重要的國際影響力，對世界範圍內量子科技的發展也有著強大的推動作用。目前，歐美等國也陸續加快推進量子通信基礎設施建設工作。
2020年，美國提出要在未來5年展示實現量子網絡的基礎科學和關鍵技術；另一邊，歐盟也表示希望在三年內實現全球範圍的量子安全密鑰分發，並用6-10年的時間使用量子中繼器在光纖上實現800公裡以上的量子通信。正如世界知名科學刊物評價的:「國際同行們正在努力追趕中國,中國現在顯然是衛星量子通信的世界領導者」。
而關於我國量子科技的未來，潘建偉教授提到，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。據中科大官方報導，接下來，潘建偉團隊將與多國團隊合作，進一步擴大在中國的網絡，並致力於開發小型、經濟高效的量子密鑰分發衛星和地面接收器，以實現萬公裡級的量子密鑰分發。
隨著技術的不斷進步與應用範圍的持續擴大，在未來，量子通信技術還會有著更廣泛的實際應用。