跨越4600公里！中国构建世界首个天地一体化量子通信网络

来源：中国科大新闻网

1月7日，中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作，在国际学术期刊《自然》杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”(An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres)的论文。

2017年9月量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接，研究团队在此基础上，成功构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络，实现了地面跨度4600公里（中国最东端到最西端为5200公里）的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发，并进行了长达两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。

该论文是对两年多以来所取得成果的一个系统性总结，证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。中国构建天地一体化广域量子保密通信网络的雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。

按通信信道的不同，量子密钥分发的实现主要有光纤和自由空间两种方式。光纤QKD技术的信道稳定性较好，不易受到温度、湿度、天气等环境因素影响，可以实现基本恒定的安全码率，在城域城际范围内可以方便地连接到千家万户，但是在超远距离、移动目标、岛屿和驻外机构等光纤资源受限的场景，需要通过卫星中转的自由空间信道连接。而将地面光纤和自由空间结合，可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通信网络。

2017年9月正式开通的量子保密通信京沪干线总长超过2000公里，覆盖四省三市共32个节点，是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线。

京沪干线项目于2013年7月立项，研究团队攻关了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控监控等系列工程化实现的关键技术，项目终得以建成。

建成后，经过长达两年多的相关技术验证和应用示范以及大量的稳定性测试、安全性测试及相关标准化研究，通过了光子数分离攻击、致盲攻击、时移攻击、波长依赖攻击和一些潜在的特洛伊木马攻击等安全性测试，结果表明“京沪干线”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻击方案，同时京沪干线网络的密钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。

目前各国的QKD网络大多通过光纤实现，通过自由空间实现QKD，中国领先世界。2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证明光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。

几年后，量子卫星于2011年12月立项，是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。同时建设了包括南山、德令哈、兴隆、丽江4个量子通信地面站和阿里量子隐形传态实验站在内的地面科学应用系统，与量子卫星共同构成天地一体化量子科学实验系统。

首颗量子通信卫星以我国古代科学家墨子的名字来命名。2016年8月，“墨子号”量子卫星在酒泉卫星发射中心成功发射，现已圆满完成预定的全部科学目标：

在优化地面站接收光学系统、提高QKD发射系统时钟频率并应用更高效QKD协议的基础上，最终在南山地面站实现了卫星对地面站的高速量子密钥分发，生成速率比之前的工作高出约40倍。成功地将卫星与地面的安全成码距离从1200公里拓展到2000公里，相应的地面站俯仰角跨度可达170°（几乎可覆盖整个天空）。

目前，广域量子通信网络的雏形已基本形成，未来在此基础上，可进一步推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛应用。

这项工作得到了国家发改委、山东省、安徽省、上海市、中国银行业监督管理委员会、中国科学院、科技部和基金委的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8

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