她們把量子技術(shù)“玩”上太空！造了一張4600公里的量子通訊網(wǎng)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(xué)技術(shù)學(xué)院院長潘建偉團(tuán)隊再度登上頂尖科學(xué)刊物《》，推出量子通訊領(lǐng)域的重磅成果，她們通過“墨子號”衛(wèi)星與滬寧干線的串聯(lián)，首次建立了一張集成的空間對地量子通訊網(wǎng)路，綜合通訊鏈路距離歷時4600公里。
據(jù)了解，該網(wǎng)路由700多個光纖量子秘鑰分發(fā)（QKD）鏈路的大規(guī)模光纖網(wǎng)路，以及2個高速衛(wèi)星對地自由空間QKD鏈路組成。地面光纖網(wǎng)路采用可信的中繼結(jié)構(gòu)，覆蓋2000多公里，提供了實際的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。
同時，衛(wèi)星對地QKD技術(shù)的平均秘鑰傳輸速度達(dá)47.8kb，比之前的“墨子號”衛(wèi)星實驗增強40倍以上，其信道耗損量與對地靜止衛(wèi)星與地面之間的信道耗損相仿，這促使通過地靜止衛(wèi)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(jié)合光纖和自由空間QKD鏈路，將QKD網(wǎng)路擴充到2600公里外的遠(yuǎn)程節(jié)點，使網(wǎng)路內(nèi)的任何用戶都能與其他人進(jìn)行通訊。目前，在現(xiàn)實條件下，兩個地面用戶之間直接通過光纖分發(fā)量子秘鑰，最遠(yuǎn)距離也只能達(dá)到約100公里。
這項研究成果已在線發(fā)表于《》上，名為《一個超過4600公里的集成星地量子通訊網(wǎng)路（Anspace-to-over4,600）》。
論文鏈接：
這是潘建偉團(tuán)隊繼今年12月與中科院北京微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作研制“九章”量子估算截?fù)魴C，實現(xiàn)“量子估算優(yōu)越性”后，又一次在量子領(lǐng)域發(fā)表新成果。智東西針對這篇論文，對這項研究成果進(jìn)行較為完整的復(fù)盤和梳理。
01.
長達(dá)六年技術(shù)沉淀，目標(biāo)要造全球量子通訊網(wǎng)
何為量子通訊？
它是一種借助量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通訊方法，主要分為量子隱型傳態(tài)和量子秘鑰分發(fā)兩種。
而量子秘鑰分發(fā)（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(xué)家們成功實現(xiàn)了首個QKD實驗，當(dāng)時的線路僅有32分米。
有意思的是，因為當(dāng)時的設(shè)備操作會發(fā)出噪聲，因而QKD也被業(yè)內(nèi)譏諷為“只有聾子才破解不了量子保密通訊”。
雖然量子技術(shù)離我們的生活還非常遙遠(yuǎn)，并且在偵測、通信和計算機等領(lǐng)域，中國的量子技術(shù)已處于全球領(lǐng)跑水平。
尤其是我國在2011年12月立項、2016年8月成功發(fā)射升空的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，除了標(biāo)志著我國空間科學(xué)研究邁出重要一步，也有效地協(xié)助我國科學(xué)家們成功將量子通訊發(fā)展到實用階段。
▲“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)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(fā)射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理系統(tǒng)、高速相干激光通訊機等。
發(fā)射升空后的2017年6月，“墨子號”在一次實驗中成功實現(xiàn)兩個量子糾纏光子被分發(fā)到相距超過1200公里的距離，并能繼續(xù)保持量子糾纏的狀態(tài)。
這次潘建偉團(tuán)隊的研究成果再度登上，其背后正是這歷時10年的技術(shù)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(wǎng)技術(shù)初驗，隨即同年9月29日即將開通。
這意味著，這條聯(lián)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(wǎng)路為線上的金融、政務(wù)等機構(gòu)提供加密通訊技術(shù)支持。
但這個網(wǎng)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(fā)展目標(biāo)是建立全球范圍的廣域量子通訊網(wǎng)路體系。”
02.
建立量子廣域網(wǎng)路的六大挑戰(zhàn)
潘建偉團(tuán)隊提及，QKD具有實現(xiàn)安全通訊和信息傳輸?shù)臐摿Α?span style="display:none">wqm物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
不過，一個全球性的QKD網(wǎng)路須要一個實際安全可靠的QKD網(wǎng)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(qū)供大量用戶使用。
原則上，量子中繼器才能為全球網(wǎng)路提供一個可行的選擇，但是它們不能使用目前的技術(shù)布署。
但在明天的技術(shù)條件下，研究人員覺得基于可信中繼的量子網(wǎng)路是可行的，并有一個被廣泛接受的實現(xiàn)路線圖：通過光纖的城內(nèi)城域網(wǎng)路，使用骨干網(wǎng)的城際聯(lián)接，以及通過衛(wèi)星的遠(yuǎn)程通訊。
但是，建立一個能實際應(yīng)用的大規(guī)模量子廣域網(wǎng)還需克服不少挑戰(zhàn)。由于它和精典網(wǎng)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(xué)問題。
▲量子通訊衛(wèi)星與地面站實驗示意圖（圖源：中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院）
在研究人員看來，一個實用的量子廣域網(wǎng)路應(yīng)具備以下條件：
1、兼容聯(lián)接大規(guī)模分布式用戶的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
2、解決基本的網(wǎng)路構(gòu)架和管理方式；
3、使用標(biāo)準(zhǔn)的QKD設(shè)備，以便擴充；
4、維護(hù)安全，防范已知和潛在的功擊；
5、允許不同的實用服務(wù)；
6、保持可靠性和常年穩(wěn)定性。
03.
網(wǎng)路縱跨“北濟合上”，已服務(wù)超150個用戶
為了進(jìn)一步推進(jìn)這項技術(shù)的發(fā)展，使其能更快實現(xiàn)落地，須要通過開發(fā)基于衛(wèi)星的高速Q(mào)KD來提升關(guān)鍵速度。潘建偉團(tuán)隊通過建立一個小型量子網(wǎng)路，已在這方面取得實質(zhì)性進(jìn)展。
該網(wǎng)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(wǎng)、兩條聯(lián)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(xiàn)有的網(wǎng)路大10倍以上。在地面上，光纖網(wǎng)路已為150多個用戶提供服務(wù)。
▲綜合空間對地量子網(wǎng)路的說明
1、衛(wèi)星-地面鏈路：優(yōu)化軟硬件系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)高速衛(wèi)星-地面量子秘鑰分配
針對硬件，研究人員優(yōu)化了地面接收系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，提升了QKD系統(tǒng)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(yōu)化促使網(wǎng)路的關(guān)鍵速度才能保持在47.8kbps，比之前的“墨子號”衛(wèi)星實驗高出40倍。
同時，她們還將衛(wèi)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(dāng)于對地靜止衛(wèi)星與地面之間的信道耗損（大概40000公里）。
最后，通過在網(wǎng)路中集成光纖空間鏈路，坐落南山的遠(yuǎn)程用戶才能和骨干網(wǎng)中的任何節(jié)點執(zhí)行QKD，而不須要額外的地面站或光纖鏈路。
▲地面硬件設(shè)施，分別為南山地面站的1.2米望遠(yuǎn)鏡（a）、興隆地面站的1米望遠(yuǎn)鏡（b）
2、四地城域網(wǎng)：探求不同類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
以南京城域網(wǎng)為例，它采用了矩形、樹形和星形拓?fù)洌織l線代表一條QKD鏈路，中間的環(huán)型網(wǎng)路由12個可信節(jié)點組成。
方形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，還能防止單個節(jié)點的故障或拒絕服務(wù)。控制中心節(jié)點是12個環(huán)節(jié)點之一，它控制著整個網(wǎng)路。
大多數(shù)終端用戶聯(lián)接到可信節(jié)點，產(chǎn)生星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不過，大多數(shù)終端用戶只配備QKD發(fā)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(tǒng)中最貴的部份。
據(jù)悉，所有最終用戶可與毗鄰的可信節(jié)點共享一個量子秘鑰，通過量子秘鑰，她們能進(jìn)一步與網(wǎng)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(guān)，最多可以聯(lián)接16個用戶，幫助任意兩個聯(lián)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(jié)點，所有用戶都可以通過交換機聯(lián)接，產(chǎn)生樹型網(wǎng)路。現(xiàn)階段，上海城域網(wǎng)共有12個可信節(jié)點用戶和19個最終用戶。
石家莊、濟南、上海城域網(wǎng)的設(shè)計與上海相像。其中，北京城域網(wǎng)建設(shè)于2011年11月至2013年11月，擁有的用戶節(jié)點最多，包括3個可信中繼節(jié)點、3個全通光交換機、50個用戶節(jié)點、95個用戶、437條QKD鏈路。
▲量子通訊網(wǎng)路在各地節(jié)點的關(guān)鍵參數(shù)
3、骨干網(wǎng)：采用多對QKD系統(tǒng)以提高安全秘鑰率
骨干網(wǎng)為線狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由32個可信中繼節(jié)點和31條鏈路構(gòu)成。
上海、濟南、上海和南京城域網(wǎng)，以及骨干網(wǎng)和興隆地網(wǎng)的平均關(guān)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(tǒng)。
通過密集波分復(fù)用技術(shù)，一個骨干光纖鏈路能同時運行幾對設(shè)備。與一對元件相比，使用多對元件的關(guān)鍵分辨率可降低5倍以上。
為了構(gòu)建一個高效并支持大量用戶的大規(guī)模量子通訊網(wǎng)路，研究人員建立了五層網(wǎng)路構(gòu)架：量子化學(xué)層、量子邏輯層、經(jīng)典數(shù)學(xué)層、經(jīng)典邏輯層、應(yīng)用層。
▲量子通訊網(wǎng)路加密通訊的流程示意圖
以南京QMAN到北京QMAN的安全數(shù)據(jù)傳輸過程為例，網(wǎng)路構(gòu)架的工作原理如上圖所示，大約有以下幾個環(huán)節(jié)：
（1）在應(yīng)用層，用戶發(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)送到精典化學(xué)層以打算消息，并為消息傳輸找到最優(yōu)路由。
（3）精典化學(xué)層首先檢測是否有足夠的共享秘鑰。若太少，它將發(fā)送指令到量子邏輯層，找到QKD的最優(yōu)路徑；若有足夠信息，它就進(jìn)行編碼，并順著精典邏輯層提供的路徑發(fā)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(guān)控制兩個節(jié)點的路由。
（5）量子化學(xué)層實現(xiàn)兩個節(jié)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(wèi)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(xué)實驗衛(wèi)星。
“墨子號”上安裝了一個基于誘餌狀態(tài)-1984（BB84）合同的空間合格QKD發(fā)射機。
通過改進(jìn)BB84模塊，它能適應(yīng)更大的入射光束規(guī)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(jìn)一步抑制背景噪音。
▲興隆地面站的光學(xué)系統(tǒng)，a/b/c分別為硬件設(shè)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(dāng)?shù)貢r間大概00時經(jīng)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(wèi)星每周生成的秘鑰能支持約6000個用戶。
對于每一對衛(wèi)星用戶（主要是農(nóng)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(guān)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(wèi)星和多顆衛(wèi)星組成一個衛(wèi)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(wǎng)路的關(guān)鍵組成部份，系統(tǒng)須要抵抗因現(xiàn)實設(shè)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(shù)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(wǎng)路還應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定和可靠，以應(yīng)對突發(fā)風(fēng)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(diào)整每位節(jié)點之間的QKD路由，以克服節(jié)點故障。同時，她們還勾畫了一張2017年骨干網(wǎng)的平均關(guān)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(wǎng)平均秘鑰率變化。
▲2017年12個月的骨干網(wǎng)可靠性測試a
不僅鏈路初始穩(wěn)定的初期階段，整體系統(tǒng)逐步趨向穩(wěn)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(jié)果，該系統(tǒng)連續(xù)運行17個月，通過了數(shù)萬次服務(wù)測試，成功機率超過99%。
在2017年12月的骨干網(wǎng)測試示例中，還顯示了每兩個相鄰節(jié)點之間的平均關(guān)鍵率。所有31條骨干鏈路的秘鑰速度都遠(yuǎn)低于，最大秘鑰速度達(dá)235.4kbps。
▲2017年12個月的骨干網(wǎng)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(shè)另一個骨干，產(chǎn)生一個小型環(huán)型骨干QKD網(wǎng)路，即使其中一個可信的中繼骨干網(wǎng)發(fā)生故障，整個網(wǎng)路也能維持運行。
同時，通過結(jié)合獨立檢測設(shè)備的QKD和校正良好的設(shè)備，實用的QKD系統(tǒng)才能在真實條件下提供足夠的安全性。
“我們的骨干網(wǎng)可以直接更新，以采用這種新方案。”研究人員在論文中提及：
1、測量設(shè)備無關(guān)的QKD特別適宜星型量子訪問城域網(wǎng)量子糾纏通訊，星型拓?fù)涫撬膫€城市網(wǎng)路中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。
2、與檢測設(shè)備無關(guān)的QKD和BB84的誘餌狀態(tài)發(fā)射機本質(zhì)上是一樣的。為此，當(dāng)前光纖網(wǎng)路中的傳輸系統(tǒng)也可以拿來實現(xiàn)與檢測設(shè)備無關(guān)的QKD網(wǎng)路。
3、研究雙場量子秘鑰分配在骨干網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸中的實驗實現(xiàn)將是一件有趣的事情。
據(jù)悉，隨著骨干網(wǎng)的擴充，它將產(chǎn)生更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)用的大規(guī)模干涉檢測等應(yīng)用成為可能。
研究人員展望，伴隨量子儲存器的發(fā)展，不久的將來還可能會實現(xiàn)大面積的分布式量子估算和量子重復(fù)器。
05.
結(jié)語：我國量子通訊技術(shù)落地指日可待
其實其中提及的一些關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)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(shù)早已足夠成熟，不管是在安全性還是可靠性方面，都已達(dá)到能實際應(yīng)用落地的水平。
有朝一日，量子通訊網(wǎng)路技術(shù)會代替我們目前的通訊技術(shù)，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(lǐng)域，“但它并非要替代現(xiàn)有的通訊方法”。相反，這項技術(shù)將以一種新的途徑來急劇增強現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。
其實在未來，這張網(wǎng)路除了在中國，它能夠通過地面聯(lián)接或?qū)Φ匦l(wèi)星聯(lián)接，將更多來自不同國家的國家量子網(wǎng)路聯(lián)接上去，讓全球量子網(wǎng)路的設(shè)想成為現(xiàn)實。
參考信源：論文、澎湃、學(xué)術(shù)頭條相關(guān)報導(dǎo)
論文鏈接：
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