我國構(gòu)建全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)

          1月7日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，中國科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國已成功構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。上圖為天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

阿里地面站望遠(yuǎn)鏡 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

星地糾纏分發(fā)示意圖 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖  

          中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)1月7日宣布，中國科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，此舉標(biāo)志著我國已成功構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，為未來實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。 

          1月7日凌晨，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上發(fā)表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”的論文，證明了廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的條件已初步成熟。 

          據(jù)了解，此項(xiàng)成果經(jīng)過兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試后，才在《自然》雜志發(fā)表?！蹲匀弧冯s志審稿人評(píng)價(jià)，這是地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，是量子通信“巨大的工程性成就”。       

          “京滬干線”對(duì)接“墨子號(hào)”打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

          “我們希望能建立一個(gè)覆蓋全國的多橫多縱的量子通信網(wǎng)絡(luò)。將來如果天上的高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星構(gòu)成的星座能和地面上多橫多縱的網(wǎng)絡(luò)連在一起，就可以構(gòu)建全球化的實(shí)用的就是廣義量子通信網(wǎng)絡(luò)?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹。 

          在此之前，中國科研團(tuán)隊(duì)在量子保密通信“京滬干線”與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星成功對(duì)接的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了世界上首個(gè)集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)（QKD）鏈路和兩個(gè)衛(wèi)星對(duì)地自由空間高速Q(mào)KD鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)。 

          “它覆蓋的面積是從北京到上海，光纖總長2000多公里?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱介紹，“我們通過衛(wèi)星連到了烏魯木齊，橫跨2600多公里，所以我們才叫‘跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)’?！?nbsp;

          據(jù)悉，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋我國四省三市32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”相連，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。 

          2016年8月，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)在優(yōu)化地面站接收光學(xué)系統(tǒng)、提高QKD發(fā)射系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、應(yīng)用更高效QKD協(xié)議的基礎(chǔ)上，最終在南山地面站實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星對(duì)地面站的高速量子密鑰分發(fā)，生成速率比之前高出約40倍。研究團(tuán)隊(duì)還成功將衛(wèi)星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里，相應(yīng)的地面站俯仰角跨度可達(dá)170°，幾乎可覆蓋整個(gè)天空，為未來在中高軌衛(wèi)星應(yīng)用量子通信、實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 

          2017年9月底，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)作為項(xiàng)目主體建設(shè)的量子保密通信“京滬干線”正式開通，其總長超過2000公里，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線。 

          “京滬干線”建成后，開展了長達(dá)兩年多的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用示范以及大量的穩(wěn)定性測(cè)試、安全性測(cè)試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究。結(jié)果表明，“京滬干線”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案，網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬以上用戶同時(shí)使用。         

          牢固樹立量子通信領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位 

          在我國“墨子號(hào)”和“京滬干線”等一系列量子通信重要成果的引領(lǐng)下，歐美等國也陸續(xù)加快推進(jìn)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。 

          2020年，美國發(fā)布《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》和《量子互聯(lián)網(wǎng)國家戰(zhàn)略藍(lán)圖》，其中《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》提出，“未來5年，美國將展示實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)”。 

          歐盟發(fā)布量子旗艦計(jì)劃《戰(zhàn)略研究議程》，提出“3年愿景是利用QKD協(xié)議和具有可信中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球范圍的安全密鑰分發(fā)，6至10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通信”。 

          所謂量子密鑰分發(fā)，主要有光纖和自由空間兩種實(shí)現(xiàn)方式。光纖QKD技術(shù)的信道穩(wěn)定性較好，不易受到溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，可以實(shí)現(xiàn)基本恒定的安全碼率，在城域城際范圍內(nèi)可以方便地連接千家萬戶；而在超遠(yuǎn)距離、移動(dòng)目標(biāo)、島嶼和駐外機(jī)構(gòu)等光纖資源受限的場(chǎng)景，可以通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道連接。 

          量子通信提供了原理上無條件安全的通信方式，可以大幅提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。它的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼器實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。 

          潘建偉表示，量子通信具有明顯的應(yīng)用導(dǎo)向，從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，需要經(jīng)歷基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、工程化集成與驗(yàn)證等階段，然后才能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。“京滬干線”和“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星等，都是基于我國前期10余年的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成果而進(jìn)行的工程化集成與驗(yàn)證項(xiàng)目，穩(wěn)步推進(jìn)了量子通信的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

           “正是由于我國率先開展了規(guī)模適度的量子通信技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范，牢固樹立了我國在量子通信領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。”潘建偉說。       

           沖向更遠(yuǎn)的里程碑 

           1998年6月，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系的支持下，張永德教授和郭光燦教授牽頭發(fā)起了我國第一次關(guān)于量子信息的香山會(huì)議，標(biāo)志著我國的量子信息研究拉開序幕。 

           2001年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建國內(nèi)首個(gè)量子實(shí)驗(yàn)室。 將近20年后，該校潘建偉院士團(tuán)隊(duì)相繼建立“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑、推動(dòng)構(gòu)建全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)。團(tuán)隊(duì)發(fā)展史，也是一部我國量子信息科技從落后到領(lǐng)跑的變遷史。

          “根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)量子計(jì)算有幾個(gè)階段性的里程碑?！标愑畎扛嬖V記者。

          第一個(gè)里程碑是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)玻色取樣、組合優(yōu)化等特定問題的計(jì)算能力超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。2020年底，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。根據(jù)現(xiàn)有最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”處理更為復(fù)雜的“高斯玻色取樣”問題的速度，比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬億倍，等效速度比谷歌的量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快100億倍。這一成果使得我國成功達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑。 

          第二個(gè)里程碑是實(shí)現(xiàn)真正“有用”的專用量子模擬機(jī)，能夠解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以求解的有重大應(yīng)用價(jià)值的問題。近年來，潘建偉團(tuán)隊(duì)在超冷原子量子模擬方向上不斷取得突出成果，包括首次實(shí)現(xiàn)二維自旋-軌道耦合的人工制備、首次實(shí)現(xiàn)71個(gè)格點(diǎn)的量子模擬器并準(zhǔn)確模擬了一維格點(diǎn)體系的Schwinger模型、首次觀測(cè)到超低溫度下基態(tài)分子與原子之間的散射共振等。這些工作為實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的超冷原子量子計(jì)算與模擬奠定了基礎(chǔ)。 

          量子計(jì)算的終極夢(mèng)想則是第三個(gè)里程碑：實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少數(shù)百萬個(gè)量子比特，同時(shí)將量子比特的操縱精度提高到超越容錯(cuò)閾值（>99.9%），能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚不明確，學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要15年至20年甚至更長的時(shí)間。

          “我們非常有幸推動(dòng)了我國量子計(jì)算研究牢固確立了國際第一方陣的地位。”潘建偉說，他也始終堅(jiān)信，“在國內(nèi)一定擁有比國外更廣闊的事業(yè)發(fā)展空間”，將繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)沖向更遠(yuǎn)的里程碑，爭(zhēng)取形成更大的優(yōu)勢(shì)。