光纖與星地鏈路接力，通信距離提升超14萬倍

北京時間1月7日零時，中國科學技術大學(以下簡稱中科大)教授潘建偉團隊成功實現了跨越4600公里的星地量子密鑰分發，標志著我國已構建出天地一體化廣域量子通信網雛形。該成果已在英國《自然》雜志上刊發。

潘建偉指出，這項成果表明量子技術成熟到了足以實用的地步，通過地面光纖及衛星能夠將更多國家量子網絡連接起來，可實現構建全球量子網絡。《自然》雜志審稿人評價稱，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發網絡，是量子通信“巨大的工程性成就”。

從32厘米到4600公里 通信距離提升超14萬倍

1989年，首個量子密鑰分發(QKD)實驗在IBM公司的實驗室內實現，當時的傳輸線路只有32厘米。如今，在“墨子號”量子通信實驗衛星和“京滬干線”的交互下，經過兩年多穩定性、安全性測試，中國已經實現了4600公里的量子保密通信網絡，并為超過150名用戶提供服務。

量子密鑰是依據量子不可克隆定理，一個未知的量子態不能夠被精確地復制，一旦被測量也會被破壞。因此，一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，一定會被發現。

但是，不可復制也有壞處，那就是工程方案上無法像電信號一樣被增強。光子通過長距離光纖傳輸，必然會產生損耗。再加上環境噪音的影響，目前真實環境中兩個地面用戶之間直接通過光纖分發量子密鑰，最遠的傳輸距離只能達到約100至200公里。

在量子中繼器技術尚未成熟的情況下，距離長達2000公里的世界首條量子保密通信干線“京滬干線”沿途設置了32個中繼站點進行“接力”，通過網絡隔離等手段保障中繼站點內的信息安全。

與此同時，科學家們也在探索一些更為前沿的新技術以解決距離問題。例如，雙場量子密鑰分發(TF-QKD)。在這方面，潘建偉團隊與其合作者將真實環境中光纖的雙場量子密鑰分發距離從300公里拓展到了509公里。另一方面，高軌道的衛星可以作為天基中繼站點。對于長距離或洲際用戶來說，由于自由空間內量子信號衰減水平低、退相干效應可以忽略，星地QKD成了最具吸引力的方案。

2017年，潘建偉團隊借助“墨子號”衛星成功向河北興隆地面站分發了量子密鑰，最遠距離達到1200千米，平均成碼率可達1.1kbps(每秒1.1千比特)。

目前，“京滬干線”地面量子通信光纖網絡已在為150多名用戶提供服務，在這方面，潘建偉團隊演示了上轉換單光子探測器、密集波分復用、高效頂底傳輸、實時后處理和監控等核心關鍵技術，最重要的是對抗已知的量子攻擊。關于星地鏈路，他們則通過大幅提升系統軟硬件設計實現了高速星地QKD。硬件方面，優化了地面接收器的光學系統，提高了QKD系統的時鐘速率;軟件方面，采用更高效的QKD協議來生成密鑰。

此外，他們還將星地QKD距離從1200公里提升到2000公里，相應的覆蓋角度為170度，幾乎是整個天空。南山地面站里的遠程用戶可以與“京滬干線”上的任一節點進行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。

構建星地量子通信網絡 實驗室階段新方案將步入實用

基于這些技術突破，由一個包括700多個QKD鏈路的大規模光纖網絡和兩段星地自由空間QKD鏈路組成的、一個集成的星地量子通信網絡已經成形。

據介紹，該網絡平均成碼率比此前的“墨子號”實驗高出40多倍。光纖QKD鏈路長達2000公里，而星地QKD鏈路長達2600公里，兩相結合，網絡內任意一個用戶可以實現最長達到4600公里的量子保密通信。

那么，量子通信網絡架構和管理到底是怎么進行的呢?比如，北京用戶想要傳輸信息，計算機向密鑰管理系統發送請求密鑰的命令，并向路由器尋找經典信息傳輸的經典路徑。密鑰管理系統檢查密鑰是否足夠——如果是，那就將密鑰發送到計算機;否則，它將向量子系統服務器發送生成更多密鑰的命令。量子系統服務器將命令發送至量子控制系統，找到最佳的密鑰生成路徑，發送生成密鑰的命令。密鑰在量子物理層中生成，儲存在量子管理系統。使用密鑰對消息進行編碼或解碼之后，信息可以安全地傳輸給上海的用戶。

隨著量子信號操控技術的發展，那些尚在實驗室階段的新型QKD方案也將步入實用，例如測量器件無關QKD、雙場QKD等。將測量器件無關QKD和校準良好的設備結合起來，量子密鑰分發系統可以在現實條件下提供足夠的安全性。潘建偉團隊表示，“京滬干線”可以直接升級以適應這些新方案。(吳長鋒)