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作者：Caleb
上個月初，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉，中國科學技術大學教授陸朝陽領導的研究團隊帶來了光量子計算系統「九章」，向世界展示了中國實現的量子優越性。
1月6日，潘建偉團隊及其合作者再次推出量子通信方面的重磅成果，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。該論文已被Nature收錄。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8
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，不僅跨越了4600公裡的星地一體的範圍，覆蓋國內四省三市32個節點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網，衛星與地面QKD平均密鑰傳輸速率達到了每秒47.8kb，相較於之前提高了40倍以上。目前該網絡已接入金融、電力、政務等行業的150多家用戶。
Nature雜誌審稿人評價稱，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」。
新華網也對其進行了報導，稱其「標誌著我國已構建出天地一體化廣域量子通信網雛形」。
中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉接受採訪時表示，希望能夠建立一個覆蓋全國的多橫多縱的量子通信網絡，這是一方面。另外一方面，為了跟將來遠距離的和移動目標很好地連結，我們希望將來天上有中高軌衛星和低軌衛星組成的這麼一個所謂的星座。那麼有高軌衛星、低軌衛星構成的星座和地面上的多橫多縱的網絡連在一起，就可以構建全球化的實用的就是廣義量子通信網絡了。
從32釐米到4600公裡，構建一個大規模量子廣域網絡
1989年，當首個量子密鑰分發（QKD）實驗在IBM實驗室內實現，線路只有32釐米，而且因設備操作時會發出噪音，被調侃為只有聾子才破解不了量子保密通信。
如今，在「墨子號」量子通信實驗衛星和「京滬幹線」的串聯下，中國已經實現了4600公裡的量子保密通信網絡。
在這個過程中，儘管之前的實驗已經證明了小規模量子城域網和關鍵服務的可行性，但建設實用的大規模量子廣域網絡仍需克服幾大挑戰，比如如何兼容與連接大規模區域內分布式用戶的各種拓撲結構，如何解決基本的網絡結構和管理方法，以及如何保證已知或潛在的安全性等等。
針對此，潘建偉團隊演示了上轉換單光子探測器、密集波分復用、高效頂底傳輸、實時後處理和監控等核心關鍵技術，最重要的是對抗已知的量子攻擊。
量子密鑰的特點在於它是編碼在光子的量子態上。而依據量子不可克隆定理，一個未知的量子態不能夠被精確地複製，一旦被測量也會被破壞，也就是說，如果有人試圖竊取並自行讀取量子密鑰，一定會被發現。
不過，除了確保安全之外，不可複製也有壞處，即工程上無法像電信號一樣被增強，光子通過長距離光纖傳輸，必然會產生損耗，再加上環境噪音的影響。目前現實世界條件下兩個地面用戶之間直接通過光纖分發量子密鑰，最遠距離只能達到約100公裡。
在量子中繼器技術尚未成熟的情況下，距離長達2000公裡的世界首條量子保密通信幹線「京滬幹線」沿途設置了32個中繼站點進行「接力」，通過人工值守、網絡隔離等手段保障中繼站點內的信息安全。
這2000公裡的星地QKD距離相應的覆蓋角度為170度，幾乎是整個天空。南山地面站裡的遠程用戶可以與「京滬幹線」上的任一節點進行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。
星地量子通信網絡如何傳遞信息
這4600公裡的量子通信網絡是怎麼來的呢？
中國科學技術大學教授陳宇翱在接受採訪時表示，它覆蓋的面積實際上是從北京到上海，實際上光纖總共是2000多公裡，另外我們通過衛星連到了烏魯木齊，那麼這個是橫跨了2600公裡，所以我們叫跨越4600公裡的天地一體化的量子通信網絡。
換句話說，網絡內任意一個用戶就可以實現最長達到4600公裡的量子保密通信。
根據論文介紹，地面上的量子保密通信光纖網絡已經在為150多名用戶提供服務。但具體而言，量子通信網絡架構和管理到底是怎麼進行的呢？
假設北京用戶想要傳輸信息，計算機向密鑰管理系統發送請求密鑰的命令，並向路由器尋找經典信息傳輸的經典路徑。
密鑰管理系統檢查密鑰是否足夠，如果是，那就是將密鑰發送到計算機，否則，它將向量子系統伺服器發送生成更多密鑰的命令。
量子系統伺服器將命令發送至量子控制系統，找到最佳的密鑰生成路徑，發送生成密鑰的命令。密鑰在量子物理層中生成，儲存在量子管理系統。使用密鑰對消息進行編碼或解碼之後，信息可以安全地傳輸給上海的用戶。
量子通信競爭激烈，對現有系統安全性起到促進作用
當然這些成果並非一蹴而就。
比如「墨子號」量子科學實驗衛星，該項目於2011年12月立項，是中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一。2016年8月發射升空後，「墨子號」在國際上率先實現了千公裡級的星地雙向量子糾纏分發、高速星地量子密鑰分發、地星量子隱形傳態等實驗。
而「京滬幹線」項目自2013年7月立項、2017年9月29日開通以來，先後突破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。
據陳宇翱介紹，「京滬幹線」開通之後，以滿足通信行業標準的無間斷運行至今，其穩定性得到了充分驗證。期間，研究團隊針對量子信道展開了大量安全性測試，證明其可抵禦目前已知的所有量子黑客的攻擊。
在國際上，歐美在量子通信上的研究也卓有成效。2020年，美國發布《量子網絡戰略願景》和《量子網際網路國家戰略藍圖》，其中《量子網絡戰略願景》提出，「未來5年，美國將展示實現量子網絡的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發」。
在歐盟的量子旗艦計劃《戰略研究議程》中明確指出，「3年願景是利用QKD協議和具有可信中繼節點的網絡實現全球範圍的安全密鑰分發，6-10年願景是使用量子中繼器在光纖上實現800公裡以上的量子通信」。
既然如此，我們不禁想問，量子通信的實現對於現有通信網絡會造成什麼影響呢，對此潘建偉表示，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。
目前，廣域量子通信網絡的雛形已基本形成。未來，在此基礎上，可進一步推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域的廣泛應用。
同時，地面網絡與量子衛星的結合，也將為超大尺度量子幹涉的相關實驗提供有利基礎，如探索量子力學與廣義相對論融合等問題，也為量子引力的基礎檢驗和用於計量應用的大規模幹涉測量提供了可能。