4600公里,潘建伟团队构建首个星地量子通信网络,已被Nature收录

大数据文摘 · 2021-01-07
量子加密通信可以大幅提升现有系统的安全性。

编者按:本文来自微信公众号“大数据文摘”(ID:BigDataDigest),作者:Caleb,36氪经授权发布。

上个月初,中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟,中国科学技术大学教授陆朝阳领导的研究团队带来了光量子计算系统“九章”,向世界展示了中国实现的量子优越性。

1月6日,潘建伟团队及其合作者再次推出量子通信方面的重磅成果,首次展现了一个完整的天地一体化量子通信网络,综合通信链路距离长达4600公里。该论文已被Nature收录。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8

这项成果中展示的量子通信网络由700多个光纤量子密钥分发(QKD)链路,和2个高速“卫星-地面”自由空间QKD链路组成,不仅跨越了4600公里的星地一体的范围,覆盖国内四省三市32个节点,包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网,卫星与地面QKD平均密钥传输速率达到了每秒47.8kb,相较于之前提高了40倍以上。目前该网络已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

Nature杂志审稿人评价称,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”。

新华网也对其进行了报道,称其“标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网雏形”。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟接受采访时表示,希望能够建立一个覆盖全国的多横多纵的量子通信网络,这是一方面。另外一方面,为了跟将来远距离的和移动目标很好地链接,我们希望将来天上有中高轨卫星和低轨卫星组成的这么一个所谓的星座。那么有高轨卫星、低轨卫星构成的星座和地面上的多横多纵的网络连在一起,就可以构建全球化的实用的就是广义量子通信网络了。

从32厘米到4600公里,构建一个大规模量子广域网络

1989年,当首个量子密钥分发(QKD)实验在IBM实验室内实现,线路只有32厘米,而且因设备操作时会发出噪音,被调侃为只有聋子才破解不了量子保密通信。

如今,在“墨子号”量子通信实验卫星和“京沪干线”的串联下,中国已经实现了4600公里的量子保密通信网络。

在这个过程中,尽管之前的实验已经证明了小规模量子城域网和关键服务的可行性,但建设实用的大规模量子广域网络仍需克服几大挑战,比如如何兼容与连接大规模区域内分布式用户的各种拓扑结构,如何解决基本的网络结构和管理方法,以及如何保证已知或潜在的安全性等等。

针对此,潘建伟团队演示了上转换单光子探测器、密集波分复用、高效顶底传输、实时后处理和监控等核心关键技术,最重要的是对抗已知的量子攻击。

量子密钥的特点在于它是编码在光子的量子态上。而依据量子不可克隆定理,一个未知的量子态不能够被精确地复制,一旦被测量也会被破坏,也就是说,如果有人试图窃取并自行读取量子密钥,一定会被发现。

不过,除了确保安全之外,不可复制也有坏处,即工程上无法像电信号一样被增强,光子通过长距离光纤传输,必然会产生损耗,再加上环境噪音的影响。目前现实世界条件下两个地面用户之间直接通过光纤分发量子密钥,最远距离只能达到约100公里。

在量子中继器技术尚未成熟的情况下,距离长达2000公里的世界首条量子保密通信干线“京沪干线”沿途设置了32个中继站点进行“接力”,通过人工值守、网络隔离等手段保障中继站点内的信息安全。

这2000公里的星地QKD距离相应的覆盖角度为170度,几乎是整个天空。南山地面站里的远程用户可以与“京沪干线”上的任一节点进行QKD,无需额外的地面站或光纤链路。

星地量子通信网络如何传递信息

这4600公里的量子通信网络是怎么来的呢?

中国科学技术大学教授陈宇翱在接受采访时表示,它覆盖的面积实际上是从北京到上海,实际上光纤总共是2000多公里,另外我们通过卫星连到了乌鲁木齐,那么这个是横跨了2600公里,所以我们叫跨越4600公里的天地一体化的量子通信网络。

换句话说,网络内任意一个用户就可以实现最长达到4600公里的量子保密通信。

根据论文介绍,地面上的量子保密通信光纤网络已经在为150多名用户提供服务。但具体而言,量子通信网络架构和管理到底是怎么进行的呢?

假设北京用户想要传输信息,计算机向密钥管理系统发送请求密钥的命令,并向路由器寻找经典信息传输的经典路径。

密钥管理系统检查密钥是否足够,如果是,那就是将密钥发送到计算机,否则,它将向量子系统服务器发送生成更多密钥的命令。

量子系统服务器将命令发送至量子控制系统,找到最佳的密钥生成路径,发送生成密钥的命令。密钥在量子物理层中生成,储存在量子管理系统。使用密钥对消息进行编码或解码之后,信息可以安全地传输给上海的用户。

量子通信竞争激烈,对现有系统安全性起到促进作用

当然这些成果并非一蹴而就。

比如“墨子号”量子科学实验卫星,该项目于2011年12月立项,是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。2016年8月发射升空后,“墨子号”在国际上率先实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发、高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等实验。

而“京沪干线”项目自2013年7月立项、2017年9月29日开通以来,先后突破了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控监控等系列工程化实现的关键技术。

据陈宇翱介绍,“京沪干线”开通之后,以满足通信行业标准的无间断运行至今,其稳定性得到了充分验证。期间,研究团队针对量子信道展开了大量安全性测试,证明其可抵御目前已知的所有量子黑客的攻击。

在国际上,欧美在量子通信上的研究也卓有成效。2020年,美国发布《量子网络战略愿景》和《量子互联网国家战略蓝图》,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、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道,以及洲际天基纠缠分发”。

在欧盟的量子旗舰计划《战略研究议程》中明确指出,“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”。

既然如此,我们不禁想问,量子通信的实现对于现有通信网络会造成什么影响呢,对此潘建伟表示,量子加密通信并不是要颠覆或者取代现有的通信方式,反而是可以大幅提升现有系统的安全性。

目前,广域量子通信网络的雏形已基本形成。未来,在此基础上,可进一步推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛应用。

同时,地面网络与量子卫星的结合,也将为超大尺度量子干涉的相关实验提供有利基础,如探索量子力学与广义相对论融合等问题,也为量子引力的基础检验和用于计量应用的大规模干涉测量提供了可能。

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