本文轉載自微信公眾號「量子位」，原文首發於2021年1月7日，標題為《潘建偉團隊再登Nature：建成全球首個集成量子通信網，全長4600公裡》。文章為作者獨立觀點，不代表軟科立場，轉載請聯繫原作者。
九章之後，潘建偉團隊又一研究成果登上Nature。
這一次，是量子通信網絡在工程上的又一次重大突破：在「墨子號」量子通信實驗衛星和京滬幹線的串聯下，我國已經實現了4600公裡的量子保密通信網絡，並已為超過150名用戶提供服務。這也是全球首個集成量子通信網絡。
並且，衛星到地面量子密鑰分發的平均傳輸速率，比之前提高了40多倍。潘建偉教授表示：我們的工作表明，對於大規模實際應用而言，量子通信技術已經足夠成熟。
而Nature審稿人也對此評價稱，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發網絡，是量子通信「巨大的工程性成就」。
首個集成量子通信網絡
量子密鑰分發（QKD），是利用量子通信的方式，讓通信雙方擁有共同的密鑰。
因為密鑰是利用量子態來進行加密的，所以任何竊聽行為都會造成量子態改變，從而暴露。
也就是說，量子密鑰分發具有「無條件的安全性」。
從1989年第一次在在IBM實驗室實現32釐米的點對點QKD，到現在，潘建偉團隊達到500公裡量級的QKD，這些都驗證了點對點QKD的可行性。
但若構建一個大規模的量子通信網絡仍要面臨需要不少的挑戰。
比如各種拓撲結構的兼容，比如工程上如何使標準QKD設備易於擴展，比如如何保持長期的安全性和穩定性……
如今，這些問題得到了實質性的解決。
潘建偉團隊提出了一個實用型的大規模量子通信網絡，由4個光纖城域網（北京、濟南、上海、合肥），1個長途光纖骨幹網絡（「京滬幹線」） ，和2個星地鏈路（連接興隆、南山兩個地面站）*組成。
其中，京滬幹線全長2000餘公裡，已經服務於150多個用戶；興隆、南山兩個地面站相距2600公裡。兩者相結合，網絡內任意一個用戶可以實現最長達到4600公裡的量子保密通信。
北京到上海的信息傳輸，需要這幾步
整個網絡由五層組成：應用層、經典邏輯層、經典物理層、量子邏輯層和量子物理層。
具體如何進行傳輸呢？以北京的用戶給上海的用戶發信息為例，大體分成這幾個步驟。
1、北京的用戶將「消息傳輸」命令發送給計算機。
2、計算機向密鑰管理系統發送命令「提供密鑰」，並向路由器發送命令「找到經典信息傳輸的經典路由」。
3、密鑰管理系統檢查密鑰是否足夠。如果足夠，則將密鑰發送給計算機；否則，就會要求量子系統伺服器生成更多的密鑰。
4、量子系統伺服器將命令發送給量子控制系統。隨後，量子控制系統找到最佳密鑰生成路線，並發送「生成密鑰」的命令。
5、密鑰在量子物理層中生成，並存儲在密鑰管理系統中。
6、在使用密鑰對消息進行編碼或解碼之後，信息將安全地傳輸給上海的用戶。
具體細節，我們進一步拆解來看。
地面通信+星地通信的天地一體化
地面通信
對於4個城域網，研究團隊探索了不同類型的拓撲結構，以研究和解決廣泛的參數，比如成本、安全、性能三者之間的權衡。
以北京城域網為例，其核心是12個可信節點組成的環路。這樣設計的優點在於，能有效避免單個節點的故障或拒絕服務。
骨幹網（即京滬幹線）則為線性拓撲結構，有32個可信中繼節點和31條鏈路。
星地通信
關於高速星-地量子密鑰分發，主要依靠位於興隆和南山的兩個地面站，中間的通信靠中國的「墨子號」量子科學實驗衛星實現。
此次，在硬體、軟體以及多個方面都有大幅的提升。
在硬體上，優化了地面接收機的光學系統；軟體上，則採用了更高效的QKD協議來生成密鑰。
最終實現平均密鑰速率保持在47.8kb/s，比此前的「墨子號」實驗高出40多倍。
此外，我們將衛星-橢圓-地面QKD距離從1200公裡擴展到2000公裡，相應的覆蓋角約為170°，幾乎就是整個天空。
這一信道損耗與中地軌道衛星與地面之間的信道損耗相當（約4萬公裡），這說明通過地球衛星構建更通用的超長量子鏈路是可行的。
最後，通過將光纖空間鏈路集成到我們的網絡中，南山的遠程用戶可以與骨幹網中的任何節點進行QKD，而不需要額外的地面站或光纖鏈路。
此外，潘建偉團隊還繪製了「2017 年一年內骨幹網四大城域網之間」以及「12月內每兩個相鄰節點之間」的平均密鑰速率變化，以驗證骨幹網的穩定性和可靠性。
可以看到，骨幹網系統趨於穩定，最小密鑰速率一般大於20kbps。
以及 2017年12月內，31條鏈路的密鑰速率均高於28.4kbps，最大密鑰速率達到235.4kbps。超過三分之二的鏈路產生的密鑰速率大於50.0kbps。
10年曆程
這樣裡程碑式的工程突破，背後是10年以來中國量子科技領域科研人員的不斷攻堅克難。
2011年12月，「墨子號」量子科學實驗衛星項目立項。
2016年8月，衛星於酒泉衛星發射中心發射升空，成為全球首顆用於進行量子科學實驗的衛星。
2017年6月，「墨子號」實現了全球首次千公裡級地星雙向量子糾纏分發，登上Science封面。
截至同年8月，「墨子號」圓滿完成三大既定科學目標：千公裡級地星雙向量子糾纏分發、地星量子密鑰分發和地星量子隱形傳態。後兩項成果登上Nature。
2019年，「墨子號」又率先開展量子糾纏退相干實驗檢驗，成果在Science上在線發布。
而「墨子號」整體實驗設計，也被美國科學促進會授予2018年度克利夫蘭獎。這也是中國科學家在本土完成的科研成果，首次獲得這一榮譽。
2020年6月，基於「墨子號」，潘建偉團隊還首次實現了1120公裡長距離無中繼糾纏量子密鑰分發。
而量子通信應用中最為重要的京滬幹線項目，於2013年7月立項，2017年9月底正式開通。
京滬幹線是中國首條量子保密通信幹線，實現了連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000餘公裡的量子通信骨幹網絡。
結合京滬幹線和「墨子號」衛星，2018年，中國和奧地利科學家實現了7600公裡的洲際量子保密通信。
通過「京滬幹線」，中國工商銀行已經成功了實現了網上銀行京滬異地數據的量子加密傳輸。
而中國人民銀行也藉助「星地一體化」量子通信廣域網絡和北京城域網，實現了新疆支行至北京金融信息中心之間的高安全量子加密應用。
而正是這一步步的基礎研究和工程化實踐，讓量子通信從實驗室邁向了實用化。
不過，在接受科技日報採訪時，潘建偉教授也指出：儘管量子通信是一個新興領域，但它並不是要取代現有的通信方式，恰恰相反，它將以一種新的途徑來大幅提高現有信息系統的安全性。
下一步怎麼走
潘建偉教授也提到，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，潘建偉團隊將與來自奧地利、義大利、俄羅斯和加拿大的國際團隊合作，進一步擴大在中國的網絡。
他們還將致力於開發小型、經濟高效的量子密鑰分發衛星和地面接收器。還有中高地球軌道衛星，以此實現萬公裡級的量子密鑰分發。
Nature論文中，研究團隊還指出，隨著遠程量子信號操控技術的發展，與測量設備無關的QKD、雙場QKD、通用量子通信協議等目前尚在實驗室階段的新型QKD方法，也將步入實用。目前的骨幹網絡可以直接更新採用這些方案。
此外，隨著骨幹網的擴展，通信網絡將形成更複雜的拓撲結構和完整環路，安全的時頻傳輸、對量子引力的基本測試、大規模幹涉測量應用都將成為可能。
而分布式量子計算、量子中繼器可能在不久的將來，獲得大面積實現。
新聞來源：量子位