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      中國科大成功驗證構建天地一體化量子通信網絡的可行性

      時間:2021-01-07 07:32:08 來源:中國科大新聞網

        北京時間1月7日凌晨,中國科學技術大學潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作,在國際學術期刊Nature雜志上發表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡”(An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres)的論文。


        研究團隊在量子保密通信京滬干線與“墨子號”量子衛星成功對接的基礎上,構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(QKD)鏈路和兩個星地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通信網絡,實現了地面跨度4600公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發,并進行了長達兩年多的穩定性和安全性測試、標準化研究以及政務金融電力等不同領域的應用示范。論文是對上述成果的一個系統性總結,證明了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。我國科研人員通過構建天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形,為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。


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        按通信信道的不同,量子密鑰分發主要有光纖和自由空間兩種實現方式。光纖QKD技術的信道穩定性較好,不易受到溫度、濕度、天氣等環境因素影響,可以實現基本恒定的安全碼率,在城域城際范圍內可以方便的連接到千家萬戶,而在超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構等光纖資源受限的場景,可以通過衛星中轉的自由空間信道連接。將地面光纖和自由空間結合,可以實現大規模、全覆蓋的全球化量子通信網絡。


        量子保密通信京滬干線總長超過2000公里,覆蓋四省三市共32個節點,是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發干線,于2017年9月底正式開通。建設過程中,研究團隊攻關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。建成后,開展了長達兩年多的相關技術驗證和應用示范以及大量的穩定性測試、安全性測試及相關標準化研究,通過了光子數分離攻擊、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等安全性測試,結果表明“京滬干線”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案,同時京滬干線網絡的密鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。


        “墨子號”量子衛星于2016年8月在酒泉衛星發射中心成功發射,圓滿完成了預定的全部科學目標。在該工作中,研究團隊在優化地面站接收光學系統、提高QKD發射系統時鐘頻率并應用更高效QKD協議的基礎上,最終在南山地面站實現了衛星對地面站的高速量子密鑰分發,生成速率比之前的工作高出約40倍。研究團隊還成功地將衛星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里,相應的地面站俯仰角跨度可達170°(幾乎可覆蓋整個天空)。


        目前該天地一體化量子通信網絡已經接入包括金融、電力、政務等150多家行業用戶。2019年初,國家電網有限公司基于該網絡,建立了跨越2600公里、從北京總公司至國網新疆電力有限公司的量子密鑰分發信道,實現了電力通信數據加密傳輸,首次從工程上檢驗了星地量子通信開展實際業務的可行性。在天地一體化量子通信網絡大量測試結果及標準化研究的基礎上,全球三大標準化組織之一ISO/IEC正在基于京滬干線的實踐編制國際標準《QKD安全要求、測試與評估方法》,另一國際組織ITU也正基于京滬干線的建設模式起草可信中繼安全要求、QKD網絡功能架構等國際標準。


        本工作發展的相關技術也為量子通信系統小型化、低成本、國產化奠定了基礎。最近團隊成功研制了重量約百公斤的小型地面站,實現了與墨子號的星地量子密鑰分發實驗,和國際多個地面站的進行了星地量子密鑰分發實驗,未來有望進一步做到可單人搬運;同時,在保證密鑰分發速率的前提下已經成功研制幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發載荷,這些成果也為形成衛星量子通信國際技術標準奠定了基礎。


        在我國“墨子號”和“京滬干線”等一系列量子通信重要成果的引領下,歐美等國也陸續加快推進量子通信基礎設施建設。2020年美國發布《量子網絡戰略愿景》和《量子互聯網國家戰略藍圖》,其中《量子網絡戰略愿景》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”;歐盟發布量子旗艦計劃《戰略研究議程》,提出“3年愿景是利用QKD協議和具有可信中繼節點的網絡實現全球范圍的安全密鑰分發,6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實現800公里以上的量子通信”。


        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。骨干網的擴展,將形成更復雜的拓撲結構,并在基礎上構建國家地基授時網絡,為定位、導航和授時服務提供保障。另一方面,地面網絡與量子衛星結合,為超大尺度量子干涉的相關實驗提供了有利基礎,如探索量子力學與廣義相對論融合等問題,為量子引力的基礎檢驗和用于計量應用的大規模干涉測量提供了可能。


        這項工作得到了國家發改委、山東省、安徽省、上海市、中國銀行業監督管理委員會、中國科學院、科技部和基金委的支持。


        論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8


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