潘建伟团队再登Nature：建成全球首个集成量子通信网，全长4600公里

鱼羊 白交 2021-01-07 12:45:29 来源：量子位

鱼羊 杨净 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

九章之后，潘建伟团队又一研究成果登上Nature。

这一次，是量子通信网络在工程上的又一次重大突破：

在“墨子号”量子通信实验卫星和京沪干线的串联下，我国已经实现了4600公里的量子保密通信网络，并已为超过150名用户提供服务。

这也是全球首个集成量子通信网络。

并且，卫星到地面量子密钥分发的平均传输速率，比之前提高了40多倍。

潘建伟教授表示：

我们的工作表明，对于大规模实际应用而言，量子通信技术已经足够成熟。

而Nature审稿人也对此评价称，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。

首个集成量子通信网络

量子密钥分发（QKD），是利用量子通信的方式，让通信双方拥有共同的密钥。

因为密钥是利用量子态来进行加密的，所以任何窃听行为都会造成量子态改变，从而暴露。

也就是说，量子密钥分发具有“无条件的安全性”。

从1989年第一次在IBM实验室实现32厘米的点对点QKD，到现在，潘建伟团队达到500公里量级的QKD，这些都验证了点对点QKD的可行性。

但若构建一个大规模的量子通信网络仍要面临需要不少的挑战。

比如各种拓扑结构的兼容，比如工程上如何使标准QKD设备易于扩展，比如如何保持长期的安全性和稳定性……

如今，这些问题得到了实质性的解决。

潘建伟团队提出了一个实用型的大规模量子通信网络，由4个光纤城域网（北京、济南、上海、合肥），1个长途光纤骨干网络（“京沪干线”） ，和2个星地链路（连接兴隆、南山两个地面站）*组成。

其中，京沪干线全长2000余公里，已经服务于150多个用户；兴隆、南山两个地面站相距2600公里。两者相结合，网络内任意一个用户可以实现最长达到4600公里的量子保密通信。

北京到上海的信息传输，需要这几步

整个网络由五层组成：应用层、经典逻辑层、经典物理层、量子逻辑层和量子物理层。

具体如何进行传输呢？以北京的用户给上海的用户发信息为例，大体分成这几个步骤。

1、北京的用户将“消息传输”命令发送给计算机。

2、计算机向密钥管理系统发送命令“提供密钥”，并向路由器发送命令“找到经典信息传输的经典路由”。

3、密钥管理系统检查密钥是否足够。如果足够，则将密钥发送给计算机；否则，就会要求量子系统服务器生成更多的密钥。

4、量子系统服务器将命令发送给量子控制系统。随后，量子控制系统找到最佳密钥生成路线，并发送“生成密钥”的命令。

5、密钥在量子物理层中生成，并存储在密钥管理系统中。

6、在使用密钥对消息进行编码或解码之后，信息将安全地传输给上海的用户。

具体细节，我们进一步拆解来看。

地面通信+星地通信的天地一体化

地面通信

对于4个城域网，研究团队探索了不同类型的拓扑结构，以研究和解决广泛的参数，比如成本、安全、性能三者之间的权衡。

以北京城域网为例，其核心是12个可信节点组成的环路。这样设计的优点在于，能有效避免单个节点的故障或拒绝服务。

骨干网（即京沪干线）则为线性拓扑结构，有32个可信中继节点和31条链路。

星地通信

关于高速星-地量子密钥分发，主要依靠位于兴隆和南山的两个地面站，中间的通信靠中国的“墨子号”量子科学实验卫星实现。

此次，在硬件、软件以及多个方面都有大幅的提升。

在硬件上，优化了地面接收机的光学系统；软件上，则采用了更高效的QKD协议来生成密钥。

最终实现平均密钥速率保持在47.8kb/s，比此前的“墨子号”实验高出40多倍。

此外，我们将卫星-椭圆-地面QKD距离从1200公里扩展到2000公里，相应的覆盖角约为170°，几乎就是整个天空。

这一信道损耗与中地轨道卫星与地面之间的信道损耗相当（约4万公里），这说明通过地球卫星构建更通用的超长量子链路是可行的。

最后，通过将光纤空间链路集成到我们的网络中，南山的远程用户可以与骨干网中的任何节点进行QKD，而不需要额外的地面站或光纤链路。

此外，潘建伟团队还绘制了“2017 年一年内骨干网四大城域网之间”以及“12月内每两个相邻节点之间”的平均密钥速率变化，以验证骨干网的稳定性和可靠性。

可以看到，骨干网系统趋于稳定，最小密钥速率一般大于20kbps。

以及 2017年12月内，31条链路的密钥速率均高于28.4kbps，最大密钥速率达到235.4kbps。超过三分之二的链路产生的密钥速率大于50.0kbps。

10年历程

这样里程碑式的工程突破，背后是10年以来中国量子科技领域科研人员的不断攻坚克难。

2011年12月，“墨子号”量子科学实验卫星项目立项。

2016年8月，卫星于酒泉卫星发射中心发射升空，成为全球首颗用于进行量子科学实验的卫星。

2017年6月，“墨子号”实现了全球首次千公里级地星双向量子纠缠分发，登上Science封面。

截至同年8月，“墨子号”圆满完成三大既定科学目标：千公里级地星双向量子纠缠分发、地星量子密钥分发和地星量子隐形传态。后两项成果登上Nature。

2019年，“墨子号”又率先开展量子纠缠退相干实验检验，成果在Science上在线发布。

而“墨子号”整体实验设计，也被美国科学促进会授予2018年度克利夫兰奖。这也是中国科学家在本土完成的科研成果，首次获得这一荣誉。

2020年6月，基于“墨子号”，潘建伟团队还首次实现了1120公里长距离无中继纠缠量子密钥分发。

而量子通信应用中最为重要的京沪干线项目，于2013年7月立项，2017年9月底正式开通。

京沪干线是中国首条量子保密通信干线，实现了连接北京、上海，贯穿济南和合肥全长2000余公里的量子通信骨干网络。

结合京沪干线和“墨子号”卫星，2018年，中国和奥地利科学家实现了7600公里的洲际量子保密通信。

通过“京沪干线”，中国工商银行已经成功了实现了网上银行京沪异地数据的量子加密传输。

而中国人民银行也借助“星地一体化”量子通信广域网络和北京城域网，实现了新疆支行至北京金融信息中心之间的高安全量子加密应用。

而正是这一步步的基础研究和工程化实践，让量子通信从实验室迈向了实用化。

不过，在接受科技日报采访时，潘建伟教授也指出：

尽管量子通信是一个新兴领域，但它并不是要取代现有的通信方式，恰恰相反，它将以一种新的途径来大幅提高现有信息系统的安全性。

下一步怎么走

潘建伟教授也提到，量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。

据中科大官方报道，接下来，潘建伟团队将与来自奥地利、意大利、俄罗斯和加拿大的国际团队合作，进一步扩大在中国的网络。

他们还将致力于开发小型、经济高效的量子密钥分发卫星和地面接收器。

还有中高地球轨道卫星，以此实现万公里级的量子密钥分发。

Nature论文中，研究团队还指出，随着远程量子信号操控技术的发展，与测量设备无关的QKD、双场QKD、通用量子通信协议等目前尚在实验室阶段的新型QKD方法，也将步入实用。目前的骨干网络可以直接更新采用这些方案。

此外，随着骨干网的扩展，通信网络将形成更复杂的拓扑结构和完整环路，安全的时频传输、对量子引力的基本测试、大规模干涉测量应用都将成为可能。

而分布式量子计算、量子中继器可能在不久的将来，获得大面积实现。

参考链接：
论文地址：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 —