九章以后，潘建偉團(tuán)隊(duì)又一研究成果登上。
這一次，是量子通訊網(wǎng)路在工程上的又一次重大突破：在“墨子號(hào)”量子通訊實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和滬寧干線的串聯(lián)下，我國(guó)早已實(shí)現(xiàn)了4600公里的量子保密通訊網(wǎng)路，并已為超過(guò)150名用戶提供服務(wù)。這也是全球首個(gè)集成量子通訊網(wǎng)路。
但是，衛(wèi)星到地面量子秘鑰分發(fā)的平均傳輸速度，比之前增強(qiáng)了40多倍。潘建偉院士表示：我們的工作表明，對(duì)于大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用而言，量子通訊技術(shù)早已足夠成熟。
而審稿人也對(duì)此評(píng)價(jià)稱(chēng)，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”。
首個(gè)集成量子通訊網(wǎng)路
量子秘鑰分發(fā)（QKD），是借助量子通訊的形式，讓通訊雙方擁有共同的秘鑰。
由于秘鑰是借助量子態(tài)來(lái)進(jìn)行加密的，所以任何監(jiān)聽(tīng)行為就會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)改變，進(jìn)而曝露。
也就是說(shuō)，量子秘鑰分發(fā)具有“無(wú)條件的安全性”。
從1989年第一次在在IBM實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)32分米的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD，到如今，潘建偉團(tuán)隊(duì)達(dá)到500公里量級(jí)的QKD，那些都驗(yàn)證了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD的可行性。
但若建立一個(gè)大規(guī)模的量子通訊網(wǎng)路仍要面臨須要不少的挑戰(zhàn)。
例如各類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兼容，例如工程上怎么使標(biāo)準(zhǔn)QKD設(shè)備便于擴(kuò)充，諸如怎樣保持常年的安全性和穩(wěn)定性……
現(xiàn)在，這種問(wèn)題得到了實(shí)質(zhì)性的解決。
潘建偉團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)實(shí)用型的大規(guī)模量子通訊網(wǎng)路，由4個(gè)光纖城域網(wǎng)（上海、濟(jì)南、上海、合肥），1個(gè)長(zhǎng)途光纖骨干網(wǎng)路（“京滬干線”）中國(guó)量子通訊是騙局，和2個(gè)星地鏈路（聯(lián)接興隆、南山兩個(gè)地面站）*組成。
其中，滬寧干線全長(zhǎng)2000余公里，早已服務(wù)于150多個(gè)用戶；興隆、南山兩個(gè)地面站相距2600公里。二者相結(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。
廣州到北京的信息傳輸，須要這幾步
整個(gè)網(wǎng)路由五層組成：應(yīng)用層、經(jīng)典邏輯層、經(jīng)典數(shù)學(xué)層、量子邏輯層和量子化學(xué)層。
具體怎么進(jìn)行傳輸呢？以廣州的用戶給北京的用戶發(fā)信息為例，大體分成這幾個(gè)步驟。
1、北京的用戶將“消息傳輸”命令發(fā)送給計(jì)算機(jī)。
2、計(jì)算機(jī)向秘鑰管理系統(tǒng)發(fā)送命令“提供秘鑰”，并向路由器發(fā)送命令“找到精典信息傳輸?shù)木渎酚伞薄?span style="display:none">JAz物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
3、密鑰管理系統(tǒng)檢測(cè)秘鑰是否足夠。假如足夠，則將秘鑰發(fā)送給計(jì)算機(jī)；否則，都會(huì)要求量子系統(tǒng)服務(wù)器生成更多的秘鑰。
4、量子系統(tǒng)服務(wù)器將命令發(fā)送給量子控制系統(tǒng)。此后，量子控制系統(tǒng)找到最佳秘鑰生成路線，并發(fā)送“生成秘鑰”的命令。
5、密鑰在量子化學(xué)層中生成中國(guó)量子通訊是騙局，并儲(chǔ)存在秘鑰管理系統(tǒng)中。
6、在使用秘鑰對(duì)消息進(jìn)行編碼或解碼以后，信息將安全地傳輸給北京的用戶。
具體細(xì)節(jié)，我們進(jìn)一步拆解來(lái)看。
地面通訊+星地通訊的天地一體化
地面通訊
對(duì)于4個(gè)城域網(wǎng)，研究團(tuán)隊(duì)探求了不同類(lèi)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以研究和解決廣泛的參數(shù)，例如成本、安全、性能兩者之間的權(quán)衡。
以南京城域網(wǎng)為例，其核心是12個(gè)可信節(jié)點(diǎn)組成的支路。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，能有效防止單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障或拒絕服務(wù)。
骨干網(wǎng)（即滬寧干線）則為線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有32個(gè)可信中繼節(jié)點(diǎn)和31條鏈路。
星地通訊
關(guān)于高速星-地量子秘鑰分發(fā)，主要借助坐落興隆和南山的兩個(gè)地面站，中間的通訊靠中國(guó)的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)。
這次，在硬件、軟件以及多個(gè)方面都有急劇的提高。
在硬件上，優(yōu)化了地面接收機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)；軟件上，則采用了更高效的QKD合同來(lái)世成秘鑰。
最終實(shí)現(xiàn)平均秘鑰速度保持在47.8kb/s，比此前的“墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)高出40多倍。
據(jù)悉，我們將衛(wèi)星-橢圓-地面QKD距離從1200公里擴(kuò)充到2000公里，相應(yīng)的覆蓋角約為170°，幾乎就是整個(gè)天空。
這一信道耗損與中地軌道衛(wèi)星與地面之間的信道耗損相當(dāng)（約4萬(wàn)公里），這說(shuō)明通過(guò)月球衛(wèi)星建立更通用的超長(zhǎng)量子鏈路是可行的。
最后，通過(guò)將光纖空間鏈路集成到我們的網(wǎng)路中，南山的遠(yuǎn)程用戶可以與骨干網(wǎng)中的任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行QKD，而不須要額外的地面站或光纖鏈路。
據(jù)悉，潘建偉團(tuán)隊(duì)還勾畫(huà)了“2017年一年內(nèi)骨干網(wǎng)四大城域網(wǎng)之間”以及“12月內(nèi)每?jī)蓚€(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間”的平均秘鑰速度變化，以驗(yàn)證骨干網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。
可以看見(jiàn)，骨干網(wǎng)系統(tǒng)漸趨穩(wěn)定，最小秘鑰速度通常小于。
以及2017年12月內(nèi)，31條鏈路的秘鑰速度均低于28.4kbps，最大秘鑰速度達(dá)到235.4kbps。超過(guò)三分之二的鏈路形成的秘鑰速度小于50.0kbps。
10年歷程
這樣里程碑式的工程突破，背后是10年以來(lái)中國(guó)量子科技領(lǐng)域科研人員的不斷攻堅(jiān)克難。
2011年12月，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目立項(xiàng)。
2016年8月，衛(wèi)星于蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，成為全球首顆用于進(jìn)行量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星。
2017年6月，“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了全球首次千公里級(jí)地星單向量子糾纏分發(fā)，登上封面。
截止同年8月，“墨子號(hào)”圓滿完成三大既定科學(xué)目標(biāo)：千公里級(jí)地星單向量子糾纏分發(fā)、地星量子秘鑰分發(fā)和地星量子隱型傳態(tài)。后兩項(xiàng)成果登上。
2019年，“墨子號(hào)”又率先舉辦量子糾纏退相干實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，成果在上在線發(fā)布。
而“墨子號(hào)”整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也被日本科學(xué)推動(dòng)會(huì)授予2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)。這也是中國(guó)科學(xué)家在本土完成的科研成果，首次獲得這一榮譽(yù)。
2020年6月，基于“墨子號(hào)”，潘建偉團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)了1120公里長(zhǎng)距離無(wú)中繼糾纏量子秘鑰分發(fā)。
而量子通訊應(yīng)用中最為重要的滬寧干線項(xiàng)目，于2013年7月立項(xiàng)，2017年9月末即將開(kāi)通。
滬寧干線是中國(guó)首列量子保密通訊干線，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)接天津、上海，貫串西安和蘭州全長(zhǎng)2000余公里的量子通訊骨干網(wǎng)路。
結(jié)合滬寧干線和“墨子號(hào)”衛(wèi)星，2018年，中國(guó)和俄羅斯科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了7600公里的洲際量子保密通訊。
通過(guò)“京滬干線”，中國(guó)工商建行早已成功了實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上建行滬寧異地?cái)?shù)據(jù)的量子加密傳輸。
而中國(guó)人民工行也利用“星地一體化”量子通訊廣域網(wǎng)路和廣州城域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了山西分行至廣州金融信息中心之間的高安全量子加密應(yīng)用。
而正是這一步步的基礎(chǔ)研究和工程化實(shí)踐，讓量子通訊從實(shí)驗(yàn)室走向了實(shí)用化。
不過(guò)，在接受科技商報(bào)專(zhuān)訪時(shí)，潘建偉院士也強(qiáng)調(diào)：雖然量子通訊是一個(gè)新興領(lǐng)域，但它并不是要替代現(xiàn)有的通訊方法，恰恰相反，它將以一種新的途徑來(lái)急劇增強(qiáng)現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。
下一步如何走
潘建偉院士也提及，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。
據(jù)中科大官方報(bào)導(dǎo)，接出來(lái)，潘建偉團(tuán)隊(duì)將與來(lái)自德國(guó)、意大利、俄羅斯和美國(guó)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)一步擴(kuò)大在中國(guó)的網(wǎng)路。
她們還將旨在于開(kāi)發(fā)大型、經(jīng)濟(jì)高效的量子秘鑰分發(fā)衛(wèi)星和地面接收器。還有中高月球軌道衛(wèi)星，借以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)公里級(jí)的量子秘鑰分發(fā)。
論文中，研究團(tuán)隊(duì)還強(qiáng)調(diào)，隨著遠(yuǎn)程量子訊號(hào)操控技術(shù)的發(fā)展，與檢測(cè)設(shè)備無(wú)關(guān)的QKD、雙場(chǎng)QKD、通用量子通訊合同等目前尚在實(shí)驗(yàn)室階段的新型QKD方式，也將進(jìn)入實(shí)用。目前的骨干網(wǎng)路可以直接更新采用這種方案。
據(jù)悉，隨著骨干網(wǎng)的擴(kuò)充，通訊網(wǎng)路將產(chǎn)生更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和完整支路，安全的時(shí)頻傳輸、對(duì)量子引力的基本測(cè)試、大規(guī)模干涉檢測(cè)應(yīng)用都將成為可能。
而分布式量子估算、量子中繼器可能在不久的將來(lái)，獲得大面積實(shí)現(xiàn)。