中國科學家成功驗證構建天地一體化量子通信網絡的可行性

消息稱，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雜誌上發表了題為“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。

消息說，研究團隊在量子保密通信京滬幹線與“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範圍、多用戶量子密鑰分發，並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範。論文是對上述成果的一個系統性總結，證明瞭廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。中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。

據介紹，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，可以實現基本恆定的安全碼率，在城域城際範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。

量子保密通信京滬幹線總長超過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於可信中繼方案的量子安全密鑰分發幹線，於2017年9月底正式開通。 測試結果表明“京滬幹線”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案，同時京滬幹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”量子衛星於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發射系統時鐘頻率並應用更高效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）。

消息指出，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。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。