該網(wǎng)路平均成分辨率比此前的“墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)高出40多倍。光纖QKD鏈路歷時(shí)2000公里，而星地QKD鏈路歷時(shí)2600公里，兩相結(jié)合，網(wǎng)路內(nèi)任意一個(gè)用戶可以實(shí)現(xiàn)最歷時(shí)到4600公里的量子保密通訊。
潘建偉強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)成果表明量子技術(shù)成熟到了足以實(shí)用的地步，通過(guò)地面光纖及衛(wèi)星就能將更多國(guó)家量子網(wǎng)路聯(lián)接上去，可實(shí)現(xiàn)建立全球量子網(wǎng)路。《自然》雜志審稿人評(píng)價(jià)稱，這是月球上最大、最先進(jìn)的量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路，是量子通訊“巨大的工程性成就”。
從32分米到4600公里通訊距離提高超14萬(wàn)倍
1989年，首個(gè)量子秘鑰分發(fā)（QKD）實(shí)驗(yàn)在IBM公司的實(shí)驗(yàn)室外實(shí)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的傳輸線路只有32分米。現(xiàn)在，在“墨子號(hào)”量子通訊實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和“京滬干線”的交互下，經(jīng)過(guò)五年多穩(wěn)定性、安全性測(cè)試量子通訊干線，中國(guó)早已實(shí)現(xiàn)了4600公里的量子保密通訊網(wǎng)路，并為超過(guò)150名用戶提供服務(wù)。
量子秘鑰是根據(jù)量子不可克隆定律，一個(gè)未知的量子態(tài)不能否被精確地復(fù)制，一旦被檢測(cè)也會(huì)被破壞。為此，一旦有人盜用并企圖自行讀取量子秘鑰，一定會(huì)被發(fā)覺(jué)。
然而，不可復(fù)制也有益處，那就是工程方案上未能像聯(lián)通號(hào)一樣被提高。光子通過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸，必然會(huì)形成耗損。再加帶環(huán)境噪聲的影響，目前真實(shí)環(huán)境中兩個(gè)地面用戶之間直接通過(guò)光纖分發(fā)量子秘鑰，最遠(yuǎn)的傳輸距離只能達(dá)到約100至200公里。
在量子中繼器技術(shù)仍未成熟的情況下，距離歷時(shí)2000公里的世界首列量子保密通訊干線“京滬干線”沿途設(shè)置了32個(gè)中繼站點(diǎn)進(jìn)行“接力”，通過(guò)網(wǎng)路隔離等手段保障中繼站點(diǎn)內(nèi)的信息安全。
與此同時(shí)，科學(xué)家們也在探求一些更為前沿的新技術(shù)以解決距離問(wèn)題。諸如，雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)（TF-QKD）。在這方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)與其合作者將真實(shí)環(huán)境中光纖的雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)距離從300公里拓展到了509公里。另一方面，高軌道的衛(wèi)星可以作為天基中繼站點(diǎn)。對(duì)于長(zhǎng)距離或洲際用戶來(lái)說(shuō)，因?yàn)樽杂煽臻g內(nèi)量子訊號(hào)衰減水平低、退相干效應(yīng)可以忽視，星地QKD成了最具吸引力的方案。
2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”衛(wèi)星成功向廣東興隆地面站分發(fā)了量子秘鑰，最遠(yuǎn)距離達(dá)到1200千米，平均成分辨率可達(dá)1.1kbps（每秒1.1千比特）。
目前，“京滬干線”地面量子通訊光纖網(wǎng)路已在為150多名用戶提供服務(wù)，在這方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)演示了上轉(zhuǎn)換單光子偵測(cè)器、密集波分復(fù)用、高效頂?shù)讉鬏敗?shí)時(shí)后處理和監(jiān)控等核心關(guān)鍵技術(shù)，最重要的是對(duì)抗已知的量子功擊。關(guān)于星地鏈路，她們則通過(guò)急劇提高系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速星地QKD。硬件方面，優(yōu)化了地面接收器的光學(xué)系統(tǒng)，提升了QKD系統(tǒng)的時(shí)鐘速度；軟件方面，采用更高效的QKD合同來(lái)世成秘鑰。
據(jù)悉，她們還將星地QKD距離從1200公里提高到2000公里量子通訊干線，相應(yīng)的覆蓋角度為170度，幾乎是整個(gè)天空。南山地面站里的遠(yuǎn)程用戶可以與“京滬干線”上的任一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行QKD，無(wú)需額外的地面站或光纖鏈路。
建立星地量子通訊網(wǎng)路實(shí)驗(yàn)室階段新方案將進(jìn)入實(shí)用
基于這種技術(shù)突破，由一個(gè)包括700多個(gè)QKD鏈路的大規(guī)模光纖網(wǎng)路和兩段星地自由空間QKD鏈路組成的、一個(gè)集成的星地量子通訊網(wǎng)路早已成型。
據(jù)介紹，該網(wǎng)路平均成分辨率比此前的“墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)高出40多倍。光纖QKD鏈路歷時(shí)2000公里，而星地QKD鏈路歷時(shí)2600公里，兩相結(jié)合，網(wǎng)路內(nèi)任意一個(gè)用戶可以實(shí)現(xiàn)最歷時(shí)到4600公里的量子保密通訊。
這么，量子通訊網(wǎng)路構(gòu)架和管理究竟是如何進(jìn)行的呢？例如，上海用戶想要傳輸信息，計(jì)算機(jī)向秘鑰管理系統(tǒng)發(fā)送懇求秘鑰的命令，并向路由器找尋精典信息傳輸?shù)木渎窂健Ｃ罔€管理系統(tǒng)檢測(cè)秘鑰是否足夠——如果是，那就將秘鑰發(fā)送到計(jì)算機(jī)；否則，它將向量子系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送生成更多秘鑰的命令。量子系統(tǒng)服務(wù)器將命令發(fā)送至量子控制系統(tǒng)，找到最佳的秘鑰生成路徑，發(fā)送生成秘鑰的命令。秘鑰在量子化學(xué)層中生成，儲(chǔ)存在量子管理系統(tǒng)。使用秘鑰對(duì)消息進(jìn)行編碼或解碼以后，信息可以安全地傳輸給北京的用戶。
隨著量子訊號(hào)操控技術(shù)的發(fā)展，這些尚在實(shí)驗(yàn)室階段的新型QKD方案也將進(jìn)入實(shí)用，比如檢測(cè)元件無(wú)關(guān)QKD、雙場(chǎng)QKD等。將檢測(cè)元件無(wú)關(guān)QKD和校正良好的設(shè)備結(jié)合上去，量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)可以在現(xiàn)實(shí)條件下提供足夠的安全性。潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，“京滬干線”可以直接升級(jí)以適應(yīng)這種新方案。