潘建偉團(tuán)隊(duì)再登Nature：建成全球首個(gè)集成量子通信網(wǎng)，全長(zhǎng)4600公里

魚(yú)羊 白交 2021-01-07 12:45:29 來(lái)源：量子位

魚(yú)羊 楊凈 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

九章之后，潘建偉團(tuán)隊(duì)又一研究成果登上Nature。

這一次，是量子通信網(wǎng)絡(luò)在工程上的又一次重大突破：

在“墨子號(hào)”量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和京滬干線(xiàn)的串聯(lián)下，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4600公里的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，并已為超過(guò)150名用戶(hù)提供服務(wù)。

這也是全球首個(gè)集成量子通信網(wǎng)絡(luò)。

并且，衛(wèi)星到地面量子密鑰分發(fā)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(duì)于大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用而言，量子通信技術(shù)已經(jīng)足夠成熟。

而Nature審稿人也對(duì)此評(píng)價(jià)稱(chēng)，這是地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，是量子通信“巨大的工程性成就”。

首個(gè)集成量子通信網(wǎng)絡(luò)

量子密鑰分發(fā)（QKD），是利用量子通信的方式，讓通信雙方擁有共同的密鑰。

因?yàn)槊荑€是利用量子態(tài)來(lái)進(jìn)行加密的，所以任何竊聽(tīng)行為都會(huì)造成量子態(tài)改變，從而暴露。

也就是說(shuō)，量子密鑰分發(fā)具有“無(wú)條件的安全性”。

從1989年第一次在IBM實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)32厘米的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD，到現(xiàn)在，潘建偉團(tuán)隊(duì)達(dá)到500公里量級(jí)的QKD，這些都驗(yàn)證了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD的可行性。

但若構(gòu)建一個(gè)大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)仍要面臨需要不少的挑戰(zhàn)。

比如各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兼容，比如工程上如何使標(biāo)準(zhǔn)QKD設(shè)備易于擴(kuò)展，比如如何保持長(zhǎng)期的安全性和穩(wěn)定性……

如今，這些問(wèn)題得到了實(shí)質(zhì)性的解決。

潘建偉團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)實(shí)用型的大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)，由4個(gè)光纖城域網(wǎng)（北京、濟(jì)南、上海、合肥），1個(gè)長(zhǎng)途光纖骨干網(wǎng)絡(luò)（“京滬干線(xiàn)”） ，和2個(gè)星地鏈路（連接興隆、南山兩個(gè)地面站）*組成。

其中，京滬干線(xiàn)全長(zhǎng)2000余公里，已經(jīng)服務(wù)于150多個(gè)用戶(hù)；興隆、南山兩個(gè)地面站相距2600公里。兩者相結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一個(gè)用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)達(dá)到4600公里的量子保密通信。

北京到上海的信息傳輸，需要這幾步

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由五層組成：應(yīng)用層、經(jīng)典邏輯層、經(jīng)典物理層、量子邏輯層和量子物理層。

具體如何進(jìn)行傳輸呢？以北京的用戶(hù)給上海的用戶(hù)發(fā)信息為例，大體分成這幾個(gè)步驟。

1、北京的用戶(hù)將“消息傳輸”命令發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

2、計(jì)算機(jī)向密鑰管理系統(tǒng)發(fā)送命令“提供密鑰”，并向路由器發(fā)送命令“找到經(jīng)典信息傳輸?shù)慕?jīng)典路由”。

3、密鑰管理系統(tǒng)檢查密鑰是否足夠。如果足夠，則將密鑰發(fā)送給計(jì)算機(jī)；否則，就會(huì)要求量子系統(tǒng)服務(wù)器生成更多的密鑰。

4、量子系統(tǒng)服務(wù)器將命令發(fā)送給量子控制系統(tǒng)。隨后，量子控制系統(tǒng)找到最佳密鑰生成路線(xiàn)，并發(fā)送“生成密鑰”的命令。

5、密鑰在量子物理層中生成，并存儲(chǔ)在密鑰管理系統(tǒng)中。

6、在使用密鑰對(duì)消息進(jìn)行編碼或解碼之后，信息將安全地傳輸給上海的用戶(hù)。

具體細(xì)節(jié)，我們進(jìn)一步拆解來(lái)看。

地面通信+星地通信的天地一體化

地面通信

對(duì)于4個(gè)城域網(wǎng)，研究團(tuán)隊(duì)探索了不同類(lèi)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以研究和解決廣泛的參數(shù)，比如成本、安全、性能三者之間的權(quán)衡。

以北京城域網(wǎng)為例，其核心是12個(gè)可信節(jié)點(diǎn)組成的環(huán)路。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，能有效避免單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障或拒絕服務(wù)。

骨干網(wǎng)（即京滬干線(xiàn)）則為線(xiàn)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有32個(gè)可信中繼節(jié)點(diǎn)和31條鏈路。

星地通信

關(guān)于高速星-地量子密鑰分發(fā)，主要依靠位于興隆和南山的兩個(gè)地面站，中間的通信靠中國(guó)的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)。

此次，在硬件、軟件以及多個(gè)方面都有大幅的提升。

在硬件上，優(yōu)化了地面接收機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)；軟件上，則采用了更高效的QKD協(xié)議來(lái)生成密鑰。

最終實(shí)現(xiàn)平均密鑰速率保持在47.8kb/s，比此前的“墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)高出40多倍。

此外，我們將衛(wèi)星-橢圓-地面QKD距離從1200公里擴(kuò)展到2000公里，相應(yīng)的覆蓋角約為170°，幾乎就是整個(gè)天空。

這一信道損耗與中地軌道衛(wèi)星與地面之間的信道損耗相當(dāng)（約4萬(wàn)公里），這說(shuō)明通過(guò)地球衛(wèi)星構(gòu)建更通用的超長(zhǎng)量子鏈路是可行的。

最后，通過(guò)將光纖空間鏈路集成到我們的網(wǎng)絡(luò)中，南山的遠(yuǎn)程用戶(hù)可以與骨干網(wǎng)中的任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行QKD，而不需要額外的地面站或光纖鏈路。

此外，潘建偉團(tuán)隊(duì)還繪制了“2017 年一年內(nèi)骨干網(wǎng)四大城域網(wǎng)之間”以及“12月內(nèi)每?jī)蓚€(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間”的平均密鑰速率變化，以驗(yàn)證骨干網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

可以看到，骨干網(wǎng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，最小密鑰速率一般大于20kbps。

以及 2017年12月內(nèi)，31條鏈路的密鑰速率均高于28.4kbps，最大密鑰速率達(dá)到235.4kbps。超過(guò)三分之二的鏈路產(chǎn)生的密鑰速率大于50.0kbps。

10年歷程

這樣里程碑式的工程突破，背后是10年以來(lái)中國(guó)量子科技領(lǐng)域科研人員的不斷攻堅(jiān)克難。

2011年12月，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目立項(xiàng)。

2016年8月，衛(wèi)星于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，成為全球首顆用于進(jìn)行量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星。

2017年6月，“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了全球首次千公里級(jí)地星雙向量子糾纏分發(fā)，登上Science封面。

截至同年8月，“墨子號(hào)”圓滿(mǎn)完成三大既定科學(xué)目標(biāo)：千公里級(jí)地星雙向量子糾纏分發(fā)、地星量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)。后兩項(xiàng)成果登上Nature。

2019年，“墨子號(hào)”又率先開(kāi)展量子糾纏退相干實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，成果在Science上在線(xiàn)發(fā)布。

而“墨子號(hào)”整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也被美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)授予2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)。這也是中國(guó)科學(xué)家在本土完成的科研成果，首次獲得這一榮譽(yù)。

2020年6月，基于“墨子號(hào)”，潘建偉團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)了1120公里長(zhǎng)距離無(wú)中繼糾纏量子密鑰分發(fā)。

而量子通信應(yīng)用中最為重要的京滬干線(xiàn)項(xiàng)目，于2013年7月立項(xiàng)，2017年9月底正式開(kāi)通。

京滬干線(xiàn)是中國(guó)首條量子保密通信干線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng)2000余公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)合京滬干線(xiàn)和“墨子號(hào)”衛(wèi)星，2018年，中國(guó)和奧地利科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了7600公里的洲際量子保密通信。

通過(guò)“京滬干線(xiàn)”，中國(guó)工商銀行已經(jīng)成功了實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上銀行京滬異地?cái)?shù)據(jù)的量子加密傳輸。

而中國(guó)人民銀行也借助“星地一體化”量子通信廣域網(wǎng)絡(luò)和北京城域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用。

而正是這一步步的基礎(chǔ)研究和工程化實(shí)踐，讓量子通信從實(shí)驗(yàn)室邁向了實(shí)用化。

不過(guò)，在接受科技日?qǐng)?bào)采訪(fǎng)時(shí)，潘建偉教授也指出：

盡管量子通信是一個(gè)新興領(lǐng)域，但它并不是要取代現(xiàn)有的通信方式，恰恰相反，它將以一種新的途徑來(lái)大幅提高現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。

下一步怎么走

潘建偉教授也提到，量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。

據(jù)中科大官方報(bào)道，接下來(lái)，潘建偉團(tuán)隊(duì)將與來(lái)自?shī)W地利、意大利、俄羅斯和加拿大的國(guó)際團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)一步擴(kuò)大在中國(guó)的網(wǎng)絡(luò)。

他們還將致力于開(kāi)發(fā)小型、經(jīng)濟(jì)高效的量子密鑰分發(fā)衛(wèi)星和地面接收器。

還有中高地球軌道衛(wèi)星，以此實(shí)現(xiàn)萬(wàn)公里級(jí)的量子密鑰分發(fā)。

Nature論文中，研究團(tuán)隊(duì)還指出，隨著遠(yuǎn)程量子信號(hào)操控技術(shù)的發(fā)展，與測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的QKD、雙場(chǎng)QKD、通用量子通信協(xié)議等目前尚在實(shí)驗(yàn)室階段的新型QKD方法，也將步入實(shí)用。目前的骨干網(wǎng)絡(luò)可以直接更新采用這些方案。

此外，隨著骨干網(wǎng)的擴(kuò)展，通信網(wǎng)絡(luò)將形成更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和完整環(huán)路，安全的時(shí)頻傳輸、對(duì)量子引力的基本測(cè)試、大規(guī)模干涉測(cè)量應(yīng)用都將成為可能。

而分布式量子計(jì)算、量子中繼器可能在不久的將來(lái)，獲得大面積實(shí)現(xiàn)。

參考鏈接：
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_10678693
https://www.chinanews.com/gn/2021/01-07/9380492.shtml
https://phys.org/news/2021-01-world-quantum-network.html
https://finance.sina.com.cn/tech/2021-01-04/doc-iiznctkf0038788.shtml

— 完 —