光明晚報記者常河丁一鳴
中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院1月7日宣布，中國科研團隊成功實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發(fā)，此舉標(biāo)志著我國已成功打造出天地一體化廣域量子通訊網(wǎng)路，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通訊網(wǎng)路奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
1月7日下午，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉及其朋友陳宇翱、彭承志等與中國科大學(xué)北京技術(shù)化學(xué)研究所王建宇研究組、濟南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)路有限公司合作，在國際學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志上發(fā)表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路”的論文，證明了廣域量子保密通訊技術(shù)在實際應(yīng)用中的條件已初步成熟。
1月7日，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院宣布，中國科研團隊成功實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國已成功打造出天地一體化廣域量子通訊網(wǎng)路。上圖為天地一體化量子通訊網(wǎng)路拓?fù)鋱D中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院供圖
據(jù)了解，此項成果經(jīng)過三年多的穩(wěn)定性和安全性測試后，才在《自然》雜志發(fā)表。《自然》雜志審稿人評價，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”。
“京滬干線”對接“墨子號”打下堅實基礎(chǔ)
“我們希望能構(gòu)建一個覆蓋全省的多橫多縱的量子通訊網(wǎng)路。將來假如天上的高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星構(gòu)成的天秤能和地面上多橫多縱的網(wǎng)路連在一起，就可以建立全球化的實用的就是廣義量子通訊網(wǎng)路。”中國科大學(xué)教授、中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長潘建偉介紹。
在此之前，中國科研團隊在量子保密通訊“京滬干線”與“墨子號”量子衛(wèi)星成功對接的基礎(chǔ)上，建立了世界上首個集成700多條地面光纖量子秘鑰分發(fā)（QKD）鏈路和兩個衛(wèi)星對地自由空間高速Q(mào)KD鏈路的廣域量子通訊網(wǎng)路，實現(xiàn)了星地一體的大范圍、多用戶量子秘鑰分發(fā)。
阿里地面站望遠(yuǎn)鏡中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院供圖
“它覆蓋的面積是從上海到南京，光纖總長2000多公里。”中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長陳宇翱介紹美國量子通訊，“我們通過衛(wèi)星連到了成都，橫越2600多公里，所以我們才叫‘跨越4600公里的天地一體化量子通訊網(wǎng)路’。”
此外，整個網(wǎng)路覆蓋我國四省三市32個節(jié)點，包括上海、濟南、合肥和北京4個量子城域網(wǎng)，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”相連，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。
2016年8月，“墨子號”量子衛(wèi)星在蘭州衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，完滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。在該工作中，研究團隊在優(yōu)化地面站接收光學(xué)系統(tǒng)、提高QKD發(fā)射系統(tǒng)時鐘頻度、應(yīng)用更高效QKD合同的基礎(chǔ)上，最終在南山地面站實現(xiàn)了衛(wèi)星對地面站的高速量子秘鑰分發(fā)，生成速度比之前高出約40倍。研究團隊還成功將衛(wèi)星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里，相應(yīng)的地面站俯仰角跨徑可達(dá)170°，幾乎可覆蓋整個天空，為未來在中高軌衛(wèi)星應(yīng)用量子通訊、實現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通訊網(wǎng)路奠定了堅實基礎(chǔ)。
2017年9月末，由中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院作為項目主體建設(shè)的量子保密通訊“京滬干線”正式開通，其總長超過2000公里，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全秘鑰分發(fā)干線。
星地糾纏分發(fā)示意圖中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院供圖
“京滬干線”建成后，舉辦了歷時三年多的相關(guān)技術(shù)驗證和應(yīng)用示范以及大量的穩(wěn)定性測試、安全性測試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究。結(jié)果表明，“京滬干線”可以抵擋目前所有已知的量子黑客功擊方案，網(wǎng)路的秘鑰分發(fā)量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。
牢靠樹立量子通訊領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位
在我國“墨子號”和“京滬干線”等一系列量子通訊重要成果的推動下，歐美等國也相繼推進(jìn)深化量子通訊基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
2020年，俄羅斯發(fā)布《量子網(wǎng)路戰(zhàn)略愿景》和《量子互聯(lián)網(wǎng)國家戰(zhàn)略新藍(lán)圖》，其中《量子網(wǎng)路戰(zhàn)略愿景》提出，“未來5年，日本將展示實現(xiàn)量子網(wǎng)路的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子儲存器到驍龍量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)”。
歐共體發(fā)布量子旗艦計劃《戰(zhàn)略研究議題》，提出“3年愿景是借助QKD合同和具有可信中繼節(jié)點的網(wǎng)路實現(xiàn)全球范圍的安全秘鑰分發(fā)，6至10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實現(xiàn)800公里以上的量子通訊”。
所謂量子秘鑰分發(fā)，主要有光纖和自由空間兩種實現(xiàn)方法。光纖QKD技術(shù)的信道穩(wěn)定性較好，不易遭到氣溫、濕度、天氣等環(huán)境誘因影響，可以實現(xiàn)基本恒定的安全分辨率，在城域城際范圍內(nèi)可以便捷地聯(lián)接千家萬戶；而在超遠(yuǎn)距離、移動目標(biāo)、島嶼和駐華機構(gòu)等光纖資源受限的場景，可以通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道聯(lián)接。
量子通訊提供了原理上無條件安全的通訊方法，可以急劇提高現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。它的發(fā)展目標(biāo)是建立全球范圍的廣域量子通訊網(wǎng)路體系。通過光纖實現(xiàn)城域量子通訊網(wǎng)路、通過中繼器實現(xiàn)緊鄰兩個城市之間的聯(lián)接、通過衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的聯(lián)接，是廣域量子通訊網(wǎng)路的發(fā)展路線。
潘建偉表示，量子通訊具有顯著的應(yīng)用導(dǎo)向，從實驗室邁向?qū)嶋H應(yīng)用，須要經(jīng)歷基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研制、工程化集成與驗證等階段，之后就能實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用。“京滬干線”和“墨子號”量子衛(wèi)星等美國量子通訊，都是基于我國前期10余年的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成果而進(jìn)行的工程化集成與驗證項目，逐步推動了量子通訊的現(xiàn)實應(yīng)用。
“正是因為我國率先舉辦了規(guī)模適度的量子通訊技術(shù)驗證與應(yīng)用示范，牢靠樹立了我國在量子通訊領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。”潘建偉說。
沖向更遠(yuǎn)的里程碑
1998年6月，在中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院近代化學(xué)系的支持下，張永德院士和郭光燦院士牽頭發(fā)起了我國第一次關(guān)于量子信息的香山大會，標(biāo)志著我國的量子信息研究拉開帷幕。
2001年，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院組建國內(nèi)首個量子實驗室。
將近20年后，該校潘建偉教授團隊陸續(xù)完善“量子估算優(yōu)越性”里程碑、推動建立全球首個星地量子通訊網(wǎng)。團隊發(fā)展史，也是一部我國量子信息科技從落后到領(lǐng)跑的興衰史。
“根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)量子估算有幾個階段性的里程碑。”陳宇翱告訴記者。
第一個里程碑是實現(xiàn)“量子估算優(yōu)越性”，即量子計算機對玻色采樣、組合優(yōu)化等特定問題的估算能力趕超傳統(tǒng)超級計算機。2020年末，潘建偉教授團隊實現(xiàn)了76個光子的量子估算靶機“九章”。按照現(xiàn)有最優(yōu)的精典算法，“九章”處理更為復(fù)雜的“高斯玻色采樣”問題的速率，比目前最快的超級計算機“富岳”快100萬億倍，等效速率比微軟的量子估算靶機“懸鈴木”快100億倍。這一成果促使我國成功達(dá)到了“量子估算優(yōu)越性”里程碑。
第二個里程碑是實現(xiàn)真正“有用”的專用量子模擬機，才能解決一些精典計算機無法求解的有重大應(yīng)用價值的問題。近些年來，潘建偉團隊在超冷原子量子模擬方向上不斷取得突出成果，包括首次實現(xiàn)二維載流子-軌道耦合的人工制備、首次實現(xiàn)71個格點的量子模擬器并確切模擬了一維格點體系的模型、首次觀測到超低濕度下能級分子與原子之間的散射共振等。這種工作為實現(xiàn)規(guī)模化的超冷原子量子估算與模擬奠定了基礎(chǔ)。
量子估算的終極夢想則是第三個里程碑：實現(xiàn)可編程的通用量子計算機，即相干操縱起碼數(shù)百萬個量子比特，同時將量子比特的操縱精度增強到趕超容錯閥值（>99.9%），能在精典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。因為技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，何時實現(xiàn)通用量子計算機尚不明晰，學(xué)術(shù)界通常覺得還須要15年至20年甚至更長的時間。
“我們十分有幸推進(jìn)了我國量子估算研究牢靠確立了國際第一方陣的地位。”潘建偉說，他也一直深信，“在國外一定擁有比美國更寬廣的事業(yè)發(fā)展空間”，將繼續(xù)率領(lǐng)團隊沖向更遠(yuǎn)的里程碑，爭取產(chǎn)生更大的優(yōu)勢。
《光明晚報》（2021年01月08日01版）