她們把量子技術“玩”上太空！造了一張4600公里的量子通訊網路
編譯|韋世瑋
編輯|漠影
智東西1月7日消息，晚上，中科院教授、中國科學技術學院院長潘建偉團隊再度登上頂尖科學刊物《》，推出量子通訊領域的重磅成果，她們通過“墨子號”衛星與滬寧干線的串聯，首次建立了一張集成的空間對地量子通訊網路，綜合通訊鏈路距離歷時4600公里。
據了解，該網路由700多個光纖量子秘鑰分發（QKD）鏈路的大規模光纖網路，以及2個高速衛星對地自由空間QKD鏈路組成。地面光纖網路采用可信的中繼結構，覆蓋2000多公里，提供了實際的安全性、可靠性和穩定性。
同時，衛星對地QKD技術的平均秘鑰傳輸速度達47.8kb，比之前的“墨子號”衛星實驗增強40倍以上，其信道耗損量與對地靜止衛星與地面之間的信道耗損相仿，這促使通過地靜止衛星建立更多功能和超長量子鏈路成為可能。
基于此，研究人員通過結合光纖和自由空間QKD鏈路，將QKD網路擴充到2600公里外的遠程節點，使網路內的任何用戶都能與其他人進行通訊。目前，在現實條件下，兩個地面用戶之間直接通過光纖分發量子秘鑰，最遠距離也只能達到約100公里。
這項研究成果已在線發表于《》上，名為《一個超過4600公里的集成星地量子通訊網路（Anspace-to-over4,600）》。
論文鏈接：
這是潘建偉團隊繼今年12月與中科院北京微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作研制“九章”量子估算截擊機，實現“量子估算優越性”后，又一次在量子領域發表新成果。智東西針對這篇論文，對這項研究成果進行較為完整的復盤和梳理。
01.
長達六年技術沉淀，目標要造全球量子通訊網
何為量子通訊？
它是一種借助量子疊加態和糾纏效應進行信息傳遞的新型通訊方法，主要分為量子隱型傳態和量子秘鑰分發兩種。
而量子秘鑰分發（QKD），就是我們此次要聊的主角。它的誕生可以溯源到1989年，IBM的科學家們成功實現了首個QKD實驗，當時的線路僅有32分米。
有意思的是，因為當時的設備操作會發出噪聲，因而QKD也被業內譏諷為“只有聾子才破解不了量子保密通訊”。
雖然量子技術離我們的生活還非常遙遠，并且在偵測、通信和計算機等領域，中國的量子技術已處于全球領跑水平。
尤其是我國在2011年12月立項、2016年8月成功發射升空的“墨子號”量子科學實驗衛星，除了標志著我國空間科學研究邁出重要一步，也有效地協助我國科學家們成功將量子通訊發展到實用階段。
▲“墨子號”量子科學實驗衛星
此外，“墨子號”主要擁有5個有效荷載，包括量子秘鑰通訊機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理系統、高速相干激光通訊機等。
發射升空后的2017年6月，“墨子號”在一次實驗中成功實現兩個量子糾纏光子被分發到相距超過1200公里的距離，并能繼續保持量子糾纏的狀態。
這次潘建偉團隊的研究成果再度登上，其背后正是這歷時10年的技術積累和工作籌辦。
而這項研究中另一個主角——全長2000多公里的骨干線，亦稱為“京滬干線”。這是中國首列量子保密通訊干線，耗時兩年多建成（2013年7月-2016年11月），在2017年8月末完成全網技術初驗，隨即同年9月29日即將開通。
這意味著，這條聯接天津天津兩地核心的滬寧干線，將通過廣域光纖量子通訊網路為線上的金融、政務等機構提供加密通訊技術支持。
但這個網路的未來肯定不止于此，正如潘建偉教授在明年初的一次訪談中提到：“量子通訊的發展目標是建立全球范圍的廣域量子通訊網路體系?！?span style="display:none">wqm物理好資源網(原物理ok網)
02.
建立量子廣域網路的六大挑戰
潘建偉團隊提及，QKD具有實現安全通訊和信息傳輸的潛力。
不過，一個全球性的QKD網路須要一個實際安全可靠的QKD網路，不僅僅是理論上的支持，由于它須要被廣泛地分布在各個地區供大量用戶使用。
原則上，量子中繼器才能為全球網路提供一個可行的選擇，但是它們不能使用目前的技術布署。
但在明天的技術條件下，研究人員覺得基于可信中繼的量子網路是可行的，并有一個被廣泛接受的實現路線圖：通過光纖的城內城域網路，使用骨干網的城際聯接，以及通過衛星的遠程通訊。
但是，建立一個能實際應用的大規模量子廣域網還需克服不少挑戰。由于它和精典網路的建立相像，須要解決的除了是一個工程問題，還是一個科學問題。
▲量子通訊衛星與地面站實驗示意圖（圖源：中國科學技術學院）
在研究人員看來，一個實用的量子廣域網路應具備以下條件：
1、兼容聯接大規模分布式用戶的多種拓撲結構；
2、解決基本的網路構架和管理方式；
3、使用標準的QKD設備，以便擴充；
4、維護安全，防范已知和潛在的功擊；
5、允許不同的實用服務；
6、保持可靠性和常年穩定性。
03.
網路縱跨“北濟合上”，已服務超150個用戶
為了進一步推進這項技術的發展，使其能更快實現落地，須要通過開發基于衛星的高速QKD來提升關鍵速度。潘建偉團隊通過建立一個小型量子網路，已在這方面取得實質性進展。
該網路由分布于上海、濟南、合肥、上海四地的4個光纖隊列管理器（QMAN），以及一條超2000公里的長距離光纖骨干網、兩條聯接興隆和南山的地星鏈路組成。
它還包括700條QKD光纖鏈路，比現有的網路大10倍以上。在地面上，光纖網路已為150多個用戶提供服務。
▲綜合空間對地量子網路的說明
1、衛星-地面鏈路：優化軟硬件系統設計，實現高速衛星-地面量子秘鑰分配
針對硬件，研究人員優化了地面接收系統的光學系統，提升了QKD系統的時鐘速度；針對軟件，她們采用更高效的QKD合同來世成秘鑰。這種優化促使網路的關鍵速度才能保持在47.8kbps，比之前的“墨子號”衛星實驗高出40倍。
同時，她們還將衛星與地面的QKD距離從擴充到，覆蓋角約170°，幾乎覆蓋整個天空。這使整個信道耗損相當于對地靜止衛星與地面之間的信道耗損（大概40000公里）。
最后，通過在網路中集成光纖空間鏈路，坐落南山的遠程用戶才能和骨干網中的任何節點執行QKD，而不須要額外的地面站或光纖鏈路。
▲地面硬件設施，分別為南山地面站的1.2米望遠鏡（a）、興隆地面站的1米望遠鏡（b）
2、四地城域網：探求不同類型的拓撲結構
以南京城域網為例，它采用了矩形、樹形和星形拓撲，每條線代表一條QKD鏈路，中間的環型網路由12個可信節點組成。
方形拓撲結構的優點在于，還能防止單個節點的故障或拒絕服務。控制中心節點是12個環節點之一，它控制著整個網路。
大多數終端用戶聯接到可信節點，產生星型拓撲結構。不過，大多數終端用戶只配備QKD發射器，并無單光子偵測器，使成本大大增加，由于單光子偵測器是QKD系統中最貴的部份。
據悉，所有最終用戶可與毗鄰的可信節點共享一個量子秘鑰，通過量子秘鑰，她們能進一步與網路中的每位人共享信息。
針對未來的更高級別終端用戶，研究人員還提供了全通光開關，最多可以聯接16個用戶，幫助任意兩個聯接的用戶直接生成量子秘鑰。
同時，作為全通光交換機的中間節點，所有用戶都可以通過交換機聯接，產生樹型網路。現階段，上海城域網共有12個可信節點用戶和19個最終用戶。
石家莊、濟南、上海城域網的設計與上海相像。其中，北京城域網建設于2011年11月至2013年11月，擁有的用戶節點最多，包括3個可信中繼節點、3個全通光交換機、50個用戶節點、95個用戶、437條QKD鏈路。
▲量子通訊網路在各地節點的關鍵參數
3、骨干網：采用多對QKD系統以提高安全秘鑰率
骨干網為線狀拓撲結構，由32個可信中繼節點和31條鏈路構成。
上海、濟南、上海和南京城域網，以及骨干網和興隆地網的平均關鍵速度分別為12.9kbps、26.3kbps、19.7kbps、11.2kbps、79.3kbps和19.6kbps。
為了保證在主骨干線上擁有更高的安全秘鑰率，研究人員使用了多對QKD系統。
通過密集波分復用技術，一個骨干光纖鏈路能同時運行幾對設備。與一對元件相比，使用多對元件的關鍵分辨率可降低5倍以上。
為了構建一個高效并支持大量用戶的大規模量子通訊網路，研究人員建立了五層網路構架：量子化學層、量子邏輯層、經典數學層、經典邏輯層、應用層。
▲量子通訊網路加密通訊的流程示意圖
以南京QMAN到北京QMAN的安全數據傳輸過程為例，網路構架的工作原理如上圖所示，大約有以下幾個環節：
（1）在應用層，用戶發送數據傳輸懇求，該懇求將次序分配給精典邏輯層。
（2）精典邏輯層將次序發送到精典化學層以打算消息，并為消息傳輸找到最優路由。
（3）精典化學層首先檢測是否有足夠的共享秘鑰。若太少，它將發送指令到量子邏輯層，找到QKD的最優路徑；若有足夠信息，它就進行編碼，并順著精典邏輯層提供的路徑發送消息。
（4）量子邏輯層控制秘鑰的生成、存儲和傳輸，以及通過光開關控制兩個節點的路由。
（5）量子化學層實現兩個節點之間的秘鑰生成。
4、高速星對地QKD：兩個地面站與“墨子號”衛星組合
QKD有兩個地面站，分別坐落興隆和南山，兩地距離約2600公里，中間的通訊借助中國的“墨子號”量子科學實驗衛星。
“墨子號”上安裝了一個基于誘餌狀態-1984（BB84）合同的空間合格QKD發射機。
通過改進BB84模塊，它能適應更大的入射光束規格，使地面站的接收效率比之前實驗增強了三倍。同時，研究人員還用新的5nm波譜混頻器取代10nm波譜混頻器，進一步抑制背景噪音。
▲興隆地面站的光學系統，a/b/c分別為硬件設備、擴束器、BB84模塊
“墨子號”沿太陽同步軌道飛行，高度約500公里，在當地時間大概00時經過地面站，為下行量子秘鑰分配實驗提供了條件。
在實驗過程中，從508km到超過的通訊距離能采集到58.1Mbit的過篩秘鑰，平均量子誤分辨率（QBER）為0.50%，最高的篩選鍵率（）在軌道中心點附近。
通過BB84高效的后處理程序，研究人員提取了最終的安全秘鑰。通常情況下，她們每周能獲得約的總秘鑰大小，通過“墨子號”一顆衛星每周生成的秘鑰能支持約6000個用戶。
對于每一對衛星用戶（主要是農行用戶），秘鑰每10天更新并刷新一次，速率為8Kbit（128個秘鑰的64個種子）。
目前為止，關鍵速度仍遭到“墨子號”低軌道運行時間的限制。未來，倘若能借助一顆月球同步衛星和多顆衛星組成一個衛星天秤，就可大幅度提升秘鑰率。
▲高速星對地QKD性能
04.
抵擋木馬功擊，計劃新建滬寧骨干
作為一個安全QKD網路的關鍵組成部份，系統須要抵抗因現實設備的不健全而形成的安全問題。
研究人員談到，在過去的幾年中，已有幾種功擊被證明，如光子數分裂功擊、盲功擊、時移功擊、波長依賴功擊，以及一些潛在的特洛伊木馬功擊。
在她們看來，一個實用的網路還應當保持穩定和可靠，以應對突發風波。針對這種安全問題量子糾纏通訊，研究人員仍然在抵抗上述已知的功擊。
在每位QMAN中，研究人員實時調整每位節點之間的QKD路由，以克服節點故障。同時，她們還勾畫了一張2017年骨干網的平均關鍵率圖，包含上海至南京、濟南至烏魯木齊、合肥至上海的骨干網平均秘鑰率變化。
▲2017年12個月的骨干網可靠性測試a
不僅鏈路初始穩定的初期階段，整體系統逐步趨向穩定，最小秘鑰率一般超過。作為補充，她們給出了北京QMAN的可靠性測試結果，該系統連續運行17個月，通過了數萬次服務測試，成功機率超過99%。
在2017年12月的骨干網測試示例中，還顯示了每兩個相鄰節點之間的平均關鍵率。所有31條骨干鏈路的秘鑰速度都遠低于，最大秘鑰速度達235.4kbps。
▲2017年12個月的骨干網可靠性測試b
研究人員談到，未來她們將在廣州至上海之間建設另一個骨干，產生一個小型環型骨干QKD網路，即使其中一個可信的中繼骨干網發生故障，整個網路也能維持運行。
同時，通過結合獨立檢測設備的QKD和校正良好的設備，實用的QKD系統才能在真實條件下提供足夠的安全性。
“我們的骨干網可以直接更新，以采用這種新方案?！毖芯咳藛T在論文中提及：
1、測量設備無關的QKD特別適宜星型量子訪問城域網量子糾纏通訊，星型拓撲是四個城市網路中的關鍵結構。
2、與檢測設備無關的QKD和BB84的誘餌狀態發射機本質上是一樣的。為此，當前光纖網路中的傳輸系統也可以拿來實現與檢測設備無關的QKD網路。
3、研究雙場量子秘鑰分配在骨干網遠距離傳輸中的實驗實現將是一件有趣的事情。
據悉，隨著骨干網的擴充，它將產生更復雜的拓撲結構和更為完整的支路，讓安全時頻傳輸、量子引力基本測試，以及用于計量應用的大規模干涉檢測等應用成為可能。
研究人員展望，伴隨量子儲存器的發展，不久的將來還可能會實現大面積的分布式量子估算和量子重復器。
05.
結語：我國量子通訊技術落地指日可待
其實其中提及的一些關鍵技術細節和名詞對好多人來說都比較生疏，我們可以簡單的這樣理解：這項研究表明，我國的量子技術早已足夠成熟，不管是在安全性還是可靠性方面，都已達到能實際應用落地的水平。
有朝一日，量子通訊網路技術會代替我們目前的通訊技術，開往真正的“星辰大海”嗎？答案是否定的。潘建偉教授在明年初曾提到，雖然量子通訊是一個新興領域，“但它并非要替代現有的通訊方法”。相反，這項技術將以一種新的途徑來急劇增強現有信息系統的安全性。
其實在未來，這張網路除了在中國，它能夠通過地面聯接或對地衛星聯接，將更多來自不同國家的國家量子網路聯接上去，讓全球量子網路的設想成為現實。
參考信源：論文、澎湃、學術頭條相關報導
論文鏈接：
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