澎湃新聞記者虞涵棋
1989年，當首個量子秘鑰分發（QKD）實驗在IBM實驗室外實現，線路只有32分米，但是因設備操作時會發出噪聲，被嘲諷為只有聾子才破解不了量子保密通訊。
現在，在“墨子號”量子通訊實驗衛星和滬寧干線的串聯下，中國早已實現了4600公里的量子保密通訊網路，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》（）刊物上發文解讀了這些“連連看”是怎樣實現的。文章題為《一個超過4600公里的集成星地量子通訊網路》（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。通過地面光纖及衛星將更多國家量子網路聯接上去，全球量子網路可以實現。
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上，根據量子不可克隆定律，一個未知的量子態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，一定會被發覺。
不可復制也有益處，那就是工程上未能像聯通號一樣被提高。光子通過長距離光纖傳輸，必然會形成耗損。
再加帶環境噪聲的影響，目前現實世界條件下兩個地面用戶之間直接通過光纖分發量子秘鑰，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、網絡隔離等手段保障中繼站點內的信息安全。
其實，不僅現實可用的技術，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（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境光纖的雙場量子秘鑰分發距離從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，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”衛星成功向廣東興隆地面站分發了量子秘鑰，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模量子城域網和關鍵服務的可行性，但建設實用的大規模量子廣域網路仍需克服幾大挑戰。
地面量子通訊光纖網路已在為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功擊。
量子秘鑰分發設備、控制設備和精典通訊設備。SPD指單光子偵測器
據悉，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”上的任一節點進行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。
星地量子通訊網路
基于這種技術突破，一個集成的星地量子通訊網路成型，由一個包括700多個QKD鏈路的大規模光纖網路和兩段星地自由空間QKD鏈路組成。
該網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，網路內任意一個用戶可以實現最歷時到4600公里的量子保密通訊。
從示意圖可知，的星地量子通訊網路包括上海、濟南、上海、合肥四個光纖量子城域網（藍色箭頭）、1條“京滬干線”（紅色線路）和聯接興隆、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
每位量子城域網中都有三種節點，白色圓圈為用戶節點，紅色圓圈為全通光開關，白色圓圈為可信節點。
文章介紹道，地面上的量子保密通訊光纖網路早已在為150多名用戶提供服務。這么，量子通訊網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發送懇求秘鑰的命令，并向路由器找尋精典信息傳輸的精典路徑。秘鑰管理系統檢測秘鑰是否足夠。假如是，那就是將秘鑰發送到計算機；否則，它將向量子系統服務器發送生成更多秘鑰的命令。量子系統服務器將命令發送至量子控制系統，找到最佳的秘鑰生成路徑，發送生成秘鑰的命令。秘鑰在量子化學層中生成，儲存在量子管理系統。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。通過地面光纖及衛星將更多國家量子網路聯接上去，全球量子網路可以實現。
隨著量子訊號操控技術的發展，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種新方案。
展望未來，文章覺得，隨著量子通訊網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。