光明晚報記者常河丁一鳴
中國科學技術學院1月7日宣布，中國科研團隊成功實現了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發，此舉標志著我國已成功打造出天地一體化廣域量子通訊網路，為未來實現覆蓋全球的量子保密通訊網路奠定了科學與技術基礎。
1月7日下午，中國科學技術學院潘建偉及其朋友陳宇翱、彭承志等與中國科大學北京技術化學研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網路有限公司合作，在國際學術刊物《自然》雜志上發表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通訊網路”的論文，證明了廣域量子保密通訊技術在實際應用中的條件已初步成熟。
1月7日，中國科學技術學院宣布，中國科研團隊成功實現了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發，標志著我國已成功打造出天地一體化廣域量子通訊網路。上圖為天地一體化量子通訊網路拓撲圖中國科學技術學院供圖
據了解，此項成果經過三年多的穩定性和安全性測試后，才在《自然》雜志發表。《自然》雜志審稿人評價，這是月球上最大、最先進的量子秘鑰分發網路，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
“我們希望能構建一個覆蓋全省的多橫多縱的量子通訊網路。將來假如天上的高軌衛星和低軌衛星構成的天秤能和地面上多橫多縱的網路連在一起，就可以建立全球化的實用的就是廣義量子通訊網路。”中國科大學教授、中國科學技術學院院長潘建偉介紹。
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”量子衛星成功對接的基礎上，建立了世界上首個集成700多條地面光纖量子秘鑰分發（QKD）鏈路和兩個衛星對地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通訊網路，實現了星地一體的大范圍、多用戶量子秘鑰分發。
阿里地面站望遠鏡中國科學技術學院供圖
“它覆蓋的面積是從上海到南京，光纖總長2000多公里。”中國科學技術學院院長陳宇翱介紹美國量子通訊，“我們通過衛星連到了成都，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路’。”
此外，整個網路覆蓋我國四省三市32個節點，包括上海、濟南、合肥和北京4個量子城域網，通過兩個衛星地面站與“墨子號”相連，目前已接入金融、電力、政務等行業的150多家用戶。
2016年8月，“墨子號”量子衛星在蘭州衛星發射中心成功發射，完滿完成了預定的全部科學目標。在該工作中，研究團隊在優化地面站接收光學系統、提高QKD發射系統時鐘頻度、應用更高效QKD合同的基礎上，最終在南山地面站實現了衛星對地面站的高速量子秘鑰分發，生成速度比之前高出約40倍。研究團隊還成功將衛星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里，相應的地面站俯仰角跨徑可達170°，幾乎可覆蓋整個天空，為未來在中高軌衛星應用量子通訊、實現覆蓋全球的量子保密通訊網路奠定了堅實基礎。
2017年9月末，由中國科學技術學院作為項目主體建設的量子保密通訊“京滬干線”正式開通，其總長超過2000公里，是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全秘鑰分發干線。
星地糾纏分發示意圖中國科學技術學院供圖
“京滬干線”建成后，舉辦了歷時三年多的相關技術驗證和應用示范以及大量的穩定性測試、安全性測試及相關標準化研究。結果表明，“京滬干線”可以抵擋目前所有已知的量子黑客功擊方案，網路的秘鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。
牢靠樹立量子通訊領域的國際領先地位
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深化量子通訊基礎設施建設。
2020年，俄羅斯發布《量子網路戰略愿景》和《量子互聯網國家戰略新藍圖》，其中《量子網路戰略愿景》提出，“未來5年，日本將展示實現量子網路的基礎科學和關鍵技術，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”。
歐共體發布量子旗艦計劃《戰略研究議題》，提出“3年愿景是借助QKD合同和具有可信中繼節點的網路實現全球范圍的安全秘鑰分發，6至10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實現800公里以上的量子通訊”。
所謂量子秘鑰分發，主要有光纖和自由空間兩種實現方法。光纖QKD技術的信道穩定性較好，不易遭到氣溫、濕度、天氣等環境誘因影響，可以實現基本恒定的安全分辨率，在城域城際范圍內可以便捷地聯接千家萬戶；而在超遠距離、移動目標、島嶼和駐華機構等光纖資源受限的場景，可以通過衛星中轉的自由空間信道聯接。
量子通訊提供了原理上無條件安全的通訊方法，可以急劇提高現有信息系統的安全性。它的發展目標是建立全球范圍的廣域量子通訊網路體系。通過光纖實現城域量子通訊網路、通過中繼器實現緊鄰兩個城市之間的聯接、通過衛星平臺的中轉實現遙遠區域之間的聯接，是廣域量子通訊網路的發展路線。
潘建偉表示，量子通訊具有顯著的應用導向，從實驗室邁向實際應用，須要經歷基礎研究、關鍵技術研制、工程化集成與驗證等階段，之后就能實現規模化商業應用。“京滬干線”和“墨子號”量子衛星等美國量子通訊，都是基于我國前期10余年的基礎和應用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目，逐步推動了量子通訊的現實應用。
“正是因為我國率先舉辦了規模適度的量子通訊技術驗證與應用示范，牢靠樹立了我國在量子通訊領域的國際領先地位。”潘建偉說。
沖向更遠的里程碑
1998年6月，在中國科學技術學院近代化學系的支持下，張永德院士和郭光燦院士牽頭發起了我國第一次關于量子信息的香山大會，標志著我國的量子信息研究拉開帷幕。
2001年，中國科學技術學院組建國內首個量子實驗室。
將近20年后，該校潘建偉教授團隊陸續完善“量子估算優越性”里程碑、推動建立全球首個星地量子通訊網。團隊發展史，也是一部我國量子信息科技從落后到領跑的興衰史。
“根據相干操縱量子比特的規模，國際學術界公認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“量子估算優越性”，即量子計算機對玻色采樣、組合優化等特定問題的估算能力趕超傳統超級計算機。2020年末，潘建偉教授團隊實現了76個光子的量子估算靶機“九章”。按照現有最優的精典算法，“九章”處理更為復雜的“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到了“量子估算優越性”里程碑。
第二個里程碑是實現真正“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，包括首次實現二維載流子-軌道耦合的人工制備、首次實現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。這種工作為實現規模化的超冷原子量子估算與模擬奠定了基礎。
量子估算的終極夢想則是第三個里程碑：實現可編程的通用量子計算機，即相干操縱起碼數百萬個量子比特，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、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。因為技術上的巨大挑戰，何時實現通用量子計算機尚不明晰，學術界通常覺得還須要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發展空間”，將繼續率領團隊沖向更遠的里程碑，爭取產生更大的優勢。
《光明晚報》（2021年01月08日01版）