中國科大等成功驗證構建天地一體化量子通信網絡可行性

　　1月7日，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《自然》上發表題為“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。

　　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。光纖量子密鑰分發技術的信道穩定性較好，不易受溫度、濕度、天氣等環境因素影響，但由于光纖固有衰減特性，光纖量子密鑰分發傳輸距離限制在百公里量級。自由空間量子密鑰分發以大氣層和外太空的自由空間為傳輸介質，光子在自由空間中具有低損耗特性，這使得基于衛星平臺的千公里以上量級量子密鑰分發成為可能。

　　“京滬干線”于2017年8月底完成驗收，總長超過2000公里，是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，目前已經接入金融、電力、政務等150余家行業用戶。研究團隊攻克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關鍵技術。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，密鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。

　　“墨子號”于2016年8月成功發射，已經圓滿實現預定的全部三大科學目標。“墨子號”與河北興隆地面站建立了光鏈路，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級。最近，研究團隊在南山地面站實現單軌衛星對地面站量子密鑰生成速率達每秒47.8kb，比之前工作高約40倍。此外，還將衛星與地面的安全成碼距離從1200公里延長到2000公里，地面站俯仰角跨度幾乎可以覆蓋整個天空，其信道損耗與中高軌道衛星與地面之間的損耗相當，為未來在中高軌衛星應用量子通信打下實驗基礎。2019年，國家電網有限公司基于“墨子號”建立從北京至新疆跨越2600公里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。

　　這項工作得到國家發展和改革委員會、山東省、安徽省、上海市、中國銀行業監督管理委員會、中科院、科技部、國家自然科學基金委的支持。

　　論文鏈接

天地一體化量子通信網絡示意圖