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跨越4600公里:我国构建全球首个天地一体化量子通信网络

讯 1月7日消息(余予)当前,以量子信息科学为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿,激发革命性的科技创新,孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。量子科技浪潮的演进,有望改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力,为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。

我国高度重视量子信息科技的发展,在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术,产出了一批具有重要国际影响力的成果。

其中早已初具雏形的天地一体化广域量子通信迎来了新的突破,广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。

来自中国科大的消息显示,北京时间1月7日凌晨,中国科大潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国络有限公司合作,在国际学术期刊Nature杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”的论文。


图片来源:中国科大新闻网

论文显示,研究团队在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上,构建了世界上首个集成700多条地面量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络,实现了地面跨度4600公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发,并进行了长达两年多的稳定性和安全性、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。

本工作发展的相关技术也为量子通信系统小型化、低成本、国产化奠定了基础。最近团队成功研制了重量约百公斤的小型地面站,实现了与墨子号的星地量子密钥分发实验,和国际多个地面站的进行了星地量子密钥分发实验,未来有望进一步做到可单人搬运;同时,在保证密钥分发速率的前提下已经成功研制几十公斤的小型化空间量子密钥分发载荷,这些成果也为形成卫星量子通信国际技术标准奠定了基础。

什么是量子密钥分发?

所谓量子密钥分发,简单说,即在遥远两地的用户间生成并安全共享一组量子密钥,为所传输的二进制信息加密。这种量子通信方式之所以被科学家们寄予厚望,是因为除了信息的发送、接收方,如果有第三方试图复制或窃听量子密钥,则通信的双方便会立刻察觉。

与传统方式不同,量子密钥分发理论上是无条件安全的,其安全性由量子力学的基本原理保证。量子不可克隆定理说明,无法完美克隆任意量子态。因此,任何对量子密钥分发过程的窃听,都有可能改变量子态本身,造成高误码率,从而使窃听被发现。一般来说,QKD过程中对量子态的传输,是依靠对光子进行编码、传输、测量实现的。

按通信信道的不同,量子密钥分发主要分为光纤和自由空间两种实现方式:

·光纤QKD技术的信道稳定性较好,不易受到温度、湿度、天气等环境因素影响,可实现基本恒定的安全码率,同时,在城域城际范围内可以方便的连接到千家万户;

·在超远距离、移动目标、岛屿和驻外机构等光纤资源受限的场景,可通过卫星中转的自由空间信道连接。

将地面光纤和自由空间结合,可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通信网络。

量子通信技术应用前景广阔

量子通信具有不可窃听、不可破译的特点,能够保证数据在传输过程中的安全性和自主可控维度。这意味着,对于军事、国防、工业、金融等信息安全领域及航天、深海等特殊通信领域而言,量子通信都具有重大应用价值与前景。

·2016年8月,“墨子号”量子卫星在酒泉卫星发射中心成功发射,圆满完成了预定的全部科学目标。基于“墨子号”量子卫星的前期实验工作与技术积累,研究团队通过实现了卫星对地面站的高速量子密钥分发,生成速率比之前的工作高出约40倍;同时,其成功地将卫星与地面的安全成码距离从1200公里拓展到2000公里,相应的地面站俯仰角跨度可达170°,几乎可覆盖整个天空。

·2017年9月29日,国际上首条千公里级量子保密通信、国家发改委“京沪干线”正式开通,总长超过2000公里,覆盖四省三市共32个节点,是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线。并结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路,成功演示了北京与奥地利维也纳之间的洲际量子保密通信,这标志着我国已成功构建国际上首个天地一体化广域量子通信网络雏形。

·除此之外,目前该天地一体化量子通信网络已经接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户。2019年初,国家电网有限公司基于该网络,建立了跨越2600公里、从北京总公司至国网新疆电力有限公司的量子密钥分发信道,实现了电力通信数据加密传输,首次从工程上检验了星地量子通信开展实际业务的可行性。

我国量子通信技术发展引领世界

我国在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术,产出了一批具有重要国际影响力的成果。在我国“墨子号”和“京沪干线”等一系列量子通信重要成果的引领下,欧美等国也陆续加快推进量子通信基础设施建设。

·在天地一体化量子通信网络大量测试结果及标准化研究的基础上,全球三大标准化组织之一/IEC正在基于京沪干线的实践编制国际标准《QKD安全要求、测试与评估方法》,另一国际组织也正基于京沪干线的建设模式起草可信中继安全要求、QKD网络功能架构等国际标准。

·2020年美国发布《量子网络战略愿景》和《量子国家战略蓝图》,其中《量子网络战略愿景》提出,“未来5年,美国将展示实现量子网络的基础科学和关键技术,从量子互连、量子、量子存储器到量量子信道,以及洲际天基纠缠分发”;

·发布量子旗舰计划《战略研究议程》,提出“3年愿景是利用QKD协议和具有可信中继节点的网络实现全球范围的安全密钥分发,6-10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通信”。

总结

骨干网的扩展,将形成更复杂的拓扑结构,并在基础上构建国家地基授时网络,为定位、导航和授时服务提供保障。另一方面,地面网络与量子卫星结合,为超大尺度量子干涉的相关实验提供了有利基础。

我国科研人员通过构建天地一体化广域量子保密通信网络的雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。同时,未来在此基础上,将进一步推动量子通信技术走向金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛实际应用。

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跨越4600公里:我国构建全球首个天地一体化量子通信网络