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◎科技商報記者吳羊毫
上海時間1月7日零時，中國科學技術學院院長潘建偉團隊在世界頂尖學術刊物《自然》（）刊物上發(fā)表題為《一個超過4600公里的集成星地量子通訊網(wǎng)路》的研究論文。文章覺得，這項工作表明量子技術成熟到了足以實用的地步。通過地面光纖及衛(wèi)星將更多國家量子網(wǎng)路聯(lián)接上去，全球量子網(wǎng)路可以實現(xiàn)。
《自然》雜志審稿人評價稱，這是月球上最大、最先進的量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路，是量子通訊“巨大的工程性成就”。
從32分米到4600公里
1989年，當首個量子秘鑰分發(fā)（QKD）實驗在IBM實驗室外實現(xiàn)，線路只有32分米。現(xiàn)在，在“墨子號”量子通訊實驗衛(wèi)星和滬寧干線的交互下，中國早已實現(xiàn)了4600公里的量子保密通訊網(wǎng)路，并為超過150名用戶提供服務。
量子秘鑰是根據(jù)量子不可克隆定律，一個未知的量子態(tài)不能否被精確地復制京滬保密量子通訊研發(fā)的股票，一旦被檢測也會被破壞。為此，一旦有人泄露并企圖自行讀取量子秘鑰，一定會被發(fā)覺。
然而，不可復制也有益處，那就是工程上未能像聯(lián)通號一樣被提高。光子通過長距離光纖傳輸，必然會形成耗損。再加帶環(huán)境噪聲的影響，目前現(xiàn)實世界條件下兩個地面用戶之間直接通過光纖分發(fā)量子秘鑰，最遠距離只能達到約100至200公里。
在量子中繼器技術仍未成熟的情況下，距離歷時2000公里的世界首列量子保密通訊干線“京滬干線”沿途設置了32個中繼站點進行“接力”，通過網(wǎng)路隔離等手段保障中繼站點內(nèi)的信息安全。
其實，科學家們也在探求一些更為前沿的新技術以解決距離問題。潘建偉團隊與其合作者合作，將真實環(huán)境光纖的雙場量子秘鑰分發(fā)距離從300公里拓展到了509公里。另一方面，衛(wèi)星可以作為天基中繼站點。對于長距離或洲際用戶來說，因為自由空間內(nèi)量子訊號衰減水平低、退相干效應可以忽視，星地QKD成了最具吸引力的方案。
“京滬干線”地面量子通訊總控室
目前，“京滬干線”地面量子通訊光纖網(wǎng)路已在為150多名用戶提供服務，在這方面，潘建偉團隊演示了上轉(zhuǎn)換單光子偵測器、密集波分復用、高效頂?shù)讉鬏?、實時后處理和監(jiān)控等核心關鍵技術，最重要的是對抗已知的量子功擊。關于星地鏈路，她們則通過急劇提高系統(tǒng)軟硬件設計實現(xiàn)了高速星地QKD。硬件方面，優(yōu)化了地面接收器的光學系統(tǒng)，提升了QKD系統(tǒng)的時鐘速度；軟件方面，采用更高效的QKD合同來世成秘鑰。
據(jù)悉，她們還將星地QKD距離從1200公里提高到2000公里，相應的覆蓋角度為170度，幾乎是整個天空。南山地面站里的遠程用戶可以與“京滬干線”上的任一節(jié)點進行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。
建立星地量子通訊網(wǎng)路
基于這種技術突破，一個集成的星地量子通訊網(wǎng)路成型，由一個包括700多個QKD鏈路的大規(guī)模光纖網(wǎng)路和兩段星地自由空間QKD鏈路組成。
星地量子通訊網(wǎng)
據(jù)介紹，該網(wǎng)路平均成分辨率可達47.8.1kbps，比此前的“墨子號”實驗高出40多倍。
光纖QKD鏈路歷時2000公里，而星地QKD鏈路歷時2600公里，兩相結(jié)合，網(wǎng)路內(nèi)任意一個用戶可以實現(xiàn)最歷時到4600公里的量子保密通訊。
這么，量子通訊網(wǎng)路構(gòu)架和管理究竟是如何進行的呢？
例如，深圳用戶想要傳輸信息，計算機向秘鑰管理系統(tǒng)發(fā)送懇求秘鑰的命令，并向路由器找尋精典信息傳輸?shù)木渎窂?。秘鑰管理系統(tǒng)檢測秘鑰是否足夠。若果是，那就是將秘鑰發(fā)送到計算機；否則，它將向量子系統(tǒng)服務器發(fā)送生成更多秘鑰的命令。
量子系統(tǒng)服務器將命令發(fā)送至量子控制系統(tǒng)，找到最佳的秘鑰生成路徑，發(fā)送生成秘鑰的命令。秘鑰在量子化學層中生成，儲存在量子管理系統(tǒng)。使用秘鑰對消息進行編碼或解碼以后，信息可以安全地傳輸給北京的用戶。
隨著量子訊號操控技術的發(fā)展，這些尚在實驗室階段的新型QKD方案也將進入實用，比如檢測元件無關QKD、雙場QKD等。將檢測元件無關QKD和校正良好的設備結(jié)合上去，量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)可以在現(xiàn)實條件下提供足夠的安全性。潘建偉團隊表示，“京滬干線”可以直接升級以適應這種新方案。
二六年磨一劍
1998年6月，在中科大近代化學系的支持下京滬保密量子通訊研發(fā)的股票，張永德院士和郭光燦院士牽頭發(fā)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，中科大成為我國最早開始量子信息研究的院校。
2001年，已在量子信息方面取得國際成就的潘建偉，帶著“在中國建一個世界領先的量子實驗室”的決心從加拿大歸國，在中國科學技術學院成立實驗室。從2001年中國科學技術學院組壘砌國外首個量子實驗室，到促進建立全球首個星地量子通訊網(wǎng)，潘建偉教授團隊見證了我國量子信息的20年發(fā)展之路。
墨子號量子科學實驗衛(wèi)星
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。
順著這一路線，潘建偉團隊將城域光纖量子通訊技術發(fā)展到了初步滿足實用化要求的水平，自主研發(fā)的量子通訊武器早已為國家重要活動提供了信息安全保障。為了建立遠距離量子通訊技術體系，2016年末，國際上首列遠距離光纖量子保密通訊骨干網(wǎng)“京滬干線”在南京建成。
遠距離光纖量子通訊的最終解決方案是量子中繼，其核心技術是高性能的量子儲存。“通過多年合作研究的技術積累，我們實現(xiàn)的冷原子量子儲存早已在原理上可以滿足基于量子中繼的500公里光纖量子通訊的需求。”潘建偉說。
通過衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)來實現(xiàn)遙遠地點之間的量子通訊，是建立全球化量子通訊網(wǎng)路愈發(fā)有效的方法。在中科院的前瞻性支持和統(tǒng)籌組織下，通過與中科院武漢技術化學研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院和光電技術研究所等單位多年的協(xié)同攻關，潘建偉團隊突破了一系列星地自由空間量子通訊的關鍵技術。
2011年，中科院迅速決策，“量子科學實驗衛(wèi)星”先導專項即將立項。2016年8月16日，“墨子號”量子衛(wèi)星成功發(fā)射?！澳犹枴绷孔有l(wèi)星在軌運行半年后，完滿完成了全部既定科學目標，充分驗證了通過衛(wèi)星平臺實現(xiàn)遠距離量子通訊的可行性。結(jié)合“墨子號”量子衛(wèi)星和“京滬干線”，我國建立了國際上首個天地一體的廣域量子通訊網(wǎng)路雛型，為將來的規(guī)?；瘧玫於藞詫嵉目茖W與技術基礎。
潘建偉表示，量子通訊具有顯著的應用導向，從實驗室邁向?qū)嶋H應用的過程中，須要經(jīng)歷基礎研究、關鍵技術研制、工程化集成與驗證等階段，之后才會實現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應用?！熬删€”和“墨子號”量子衛(wèi)星等，都是基于我國前期近20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(xiàn)實應用。
正是因為我國率先舉辦了規(guī)模適度的量子通訊技術驗證與應用示范，促使了我國在量子通訊領域搶占了國際領先地位。