澎湃新聞記者虞涵棋
1989年，當首個量子秘鑰分發(fā)（QKD）實驗在IBM實驗室外實現(xiàn)，線路只有32分米，但是因設備操作時會發(fā)出噪聲，被嘲諷為只有聾子才破解不了量子保密通訊。
現(xiàn)在，在“墨子號”量子通訊實驗衛(wèi)星和滬寧干線的串聯(lián)下，中國早已實現(xiàn)了4600公里的量子保密通訊網(wǎng)路，并為超過150名用戶提供服務。
上海時間1月7日零時，中科院教授、中國科學技術學院院長潘建偉團隊在世界頂尖學術刊物《自然》（）刊物上發(fā)文解讀了這些“連連看”是怎樣實現(xiàn)的。文章題為《一個超過4600公里的集成星地量子通訊網(wǎng)路》（Anspace-to-over4,600）。
文章覺得，這項工作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(wèi)星將更多國家量子網(wǎng)路聯(lián)接上去，全球量子網(wǎng)路可以實現(xiàn)。
量子通訊的距離問題
量子秘鑰的特征在于它是編碼在光子的量子態(tài)上，根據(jù)量子不可克隆定律，一個未知的量子態(tài)不能否被精確地復制，一旦被檢測也會被破壞。為此，一旦有人盜用并企圖自行讀取量子秘鑰，一定會被發(fā)覺。
不可復制也有益處，那就是工程上未能像聯(lián)通號一樣被提高。光子通過長距離光纖傳輸，必然會形成耗損。
再加帶環(huán)境噪聲的影響，目前現(xiàn)實世界條件下兩個地面用戶之間直接通過光纖分發(fā)量子秘鑰，最遠距離只能達到約100公里。
在量子中繼器技術仍未成熟的情況下，距離歷時2000公里的世界首列量子保密通訊干線“京滬干線”沿途設置了32個中繼站點進行“接力”，通過人工值守、網(wǎng)絡隔離等手段保障中繼站點內的信息安全。
其實，不僅現(xiàn)實可用的技術，科學家們也在探求一些更為前沿的新技術以解決距離問題。諸如，雙場量子秘鑰分發(fā)（TF-QKD）。在這方面，北京量子技術研究院王向斌團隊與潘建偉團隊合作將真實環(huán)境光纖的雙場量子秘鑰分發(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。對于長距離或洲際用戶來說，因為自由空間內量子訊號衰減水平低、退相干效應可以忽視，星地QKD成了最具吸引力的方案。
2017年，潘建偉團隊利用“墨子號”衛(wèi)星成功向廣東興隆地面站分發(fā)了量子秘鑰，最遠距離達到1200千米潘建偉 量子通訊，平均成分辨率可達1.1kbps（每秒1.1千比特）。
關鍵技術
雖然之前的實驗早已證明了小規(guī)模量子城域網(wǎng)和關鍵服務的可行性，但建設實用的大規(guī)模量子廣域網(wǎng)路仍需克服幾大挑戰(zhàn)。
地面量子通訊光纖網(wǎng)路已在為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偵測器、密集波分復用、高效頂?shù)讉鬏敗崟r后處理和監(jiān)控等核心關鍵技術，最重要的是對抗已知的量子功擊。
量子秘鑰分發(fā)設備、控制設備和精典通訊設備。SPD指單光子偵測器
據(jù)悉，她們還將星地QKD距離從1200公里提高到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(jié)點進行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。
星地量子通訊網(wǎng)路
基于這種技術突破，一個集成的星地量子通訊網(wǎng)路成型，由一個包括700多個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。
該網(wǎng)路平均成分辨率可達47.8.1kbps，比此前的“墨子號”實驗高出40多倍。
光纖QKD鏈路歷時2000公里，而星地QKD鏈路歷時2600公里，兩相結合，網(wǎng)路內任意一個用戶可以實現(xiàn)最歷時到4600公里的量子保密通訊。
從示意圖可知，的星地量子通訊網(wǎng)路包括上海、濟南、上海、合肥四個光纖量子城域網(wǎng)（藍色箭頭）、1條“京滬干線”（紅色線路）和聯(lián)接興隆、南山兩個地面站（紅色方框）的星地鏈路。其中，干線長2000公里，兩個衛(wèi)星地面站相距2600公里
同時，興隆地面站也與上海量子城域網(wǎng)通過光纖鏈接。
坐落南山地面站的1.2米望遠鏡和坐落興隆地面站的1米望遠鏡
每位量子城域網(wǎng)中都有三種節(jié)點，白色圓圈為用戶節(jié)點，紅色圓圈為全通光開關，白色圓圈為可信節(jié)點。
文章介紹道，地面上的量子保密通訊光纖網(wǎng)路早已在為150多名用戶提供服務。這么，量子通訊網(wǎng)路構架和管理究竟是如何進行的呢？文章以從上海到南京的安全傳輸為例進行探討。
上海用戶想要傳輸信息，計算機向秘鑰管理系統(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)檢測秘鑰是否足夠。假如是，那就是將秘鑰發(fā)送到計算機；否則，它將向量子系統(tǒng)服務器發(fā)送生成更多秘鑰的命令。量子系統(tǒng)服務器將命令發(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。秘鑰在量子化學層中生成，儲存在量子管理系統(tǒng)。使用秘鑰對消息進行編碼或解碼以后，信息可以安全地傳輸給北京的用戶。
展望全球量子網(wǎng)路
文章總結道，這項工作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(wèi)星將更多國家量子網(wǎng)路聯(lián)接上去，全球量子網(wǎng)路可以實現(xiàn)。
隨著量子訊號操控技術的發(fā)展，這些尚在實驗室階段的新型QKD方案也將進入實用，比如檢測元件無關QKD、雙場QKD等。
將檢測元件無關QKD和校正良好的設備結合上去潘建偉 量子通訊，量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)可以在現(xiàn)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種新方案。
展望未來，文章覺得，隨著量子通訊網(wǎng)路擴充產生更復雜的拓撲結構和完整的支路，我們可以探求安全時頻傳輸、對量子引力的基本測試、大規(guī)模干涉檢測應用。分布式量子估算、量子中繼器在不遠的將來也可能實現(xiàn)。