我國構建全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)1月7日宣布，中國科研團隊成功實(shí)現了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，此舉標志著(zhù)我國已成功構建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )，為未來(lái)實(shí)現覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò )奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎。 1月7日凌晨，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術(shù)研究院及中國有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò )有限公司合作，在國際學(xué)術(shù)期刊《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信網(wǎng)絡(luò )”的論文，證明了廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應用中的條件已初步成熟。 據了解，此項成果經(jīng)過(guò)兩年多的穩定性和安全性測試后，才在《自然》雜志發(fā)表?！蹲匀弧冯s志審稿人評價(jià)，這是地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò )，是量子通信“巨大的工程性成就”。 “京滬干線(xiàn)”對接“墨子號”打下堅實(shí)基礎 “我們希望能建立一個(gè)覆蓋全國的多橫多縱的量子通信網(wǎng)絡(luò )。將來(lái)如果天上的高軌衛星和低軌衛星構成的星座能和地面上多橫多縱的網(wǎng)絡(luò )連在一起，就可以構建全球化的實(shí)用的就是廣義量子通信網(wǎng)絡(luò )?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹。 在此之前，中國科研團隊在量子保密通信“京滬干線(xiàn)”與“墨子號”量子衛星成功對接的基礎上，構建了世界上首個(gè)集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)（QKD）鏈路和兩個(gè)衛星對地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了星地一體的大范圍、多用戶(hù)量子密鑰分發(fā)。 “它覆蓋的面積是從北京到上海，光纖總長(cháng)2000多公里?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱介紹，“我們通過(guò)衛星連到了烏魯木齊，橫跨2600多公里，所以我們才叫‘跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò )’?！?據悉，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )覆蓋我國四省三市32個(gè)節點(diǎn)，包括北京、濟南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過(guò)兩個(gè)衛星地面站與“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(hù)。 2016年8月，“墨子號”量子衛星在酒泉衛星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿(mǎn)完成了預定的全部科學(xué)目標。在該工作中，研究團隊在優(yōu)化地面站接收光學(xué)系統、提高QKD發(fā)射系統時(shí)鐘頻率、應用更高效QKD協(xié)議的基礎上，最終在南山地面站實(shí)現了衛星對地面站的高速量子密鑰分發(fā)，生成速率比之前高出約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度可達170°，幾乎可覆蓋整個(gè)天空，為未來(lái)在中高軌衛星應用量子通信、實(shí)現覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò )奠定了堅實(shí)基礎。 2017年9月底，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)作為項目主體建設的量子保密通信“京滬干線(xiàn)”正式開(kāi)通，其總長(cháng)超過(guò)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密鑰分發(fā)干線(xiàn)。 “京滬干線(xiàn)”建成后，開(kāi)展了長(cháng)達兩年多的相關(guān)技術(shù)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(guān)標準化研究。結果表明，“京滬干線(xiàn)”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案，網(wǎng)絡(luò )的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬(wàn)以上用戶(hù)同時(shí)使用。 牢固樹(shù)立量子通信領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位 在我國“墨子號”和“京滬干線(xiàn)”等一系列量子通信重要成果的引領(lǐng)下，歐美等國也陸續加快推進(jìn)量子通信基礎設施建設。 2020年，美國發(fā)布《量子網(wǎng)絡(luò )戰略愿景》和《量子互聯(lián)網(wǎng)國家戰略藍圖》，其中《量子網(wǎng)絡(luò )戰略愿景》提出，“未來(lái)5年，美國將展示實(shí)現量子網(wǎng)絡(luò )的基礎科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)”。 歐盟發(fā)布量子旗艦計劃《戰略研究議程》，提出“3年愿景是利用QKD協(xié)議和具有可信中繼節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )實(shí)現全球范圍的安全密鑰分發(fā)，6至10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實(shí)現800公里以上的量子通信”。 所謂量子密鑰分發(fā)，主要有光纖和自由空間兩種實(shí)現方式。光纖QKD技術(shù)的信道穩定性較好，不易受到溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，可以實(shí)現基本恒定的安全碼率，在城域城際范圍內可以方便地連接千家萬(wàn)戶(hù)；而在超遠距離、移動(dòng)目標、島嶼和駐外機構等光纖資源受限的場(chǎng)景，可以通過(guò)衛星中轉的自由空間信道連接。 量子通信提供了原理上無(wú)條件安全的通信方式，可以大幅提升現有信息系統的安全性。它的發(fā)展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )體系。通過(guò)光纖實(shí)現城域量子通信網(wǎng)絡(luò )、通過(guò)中繼器實(shí)現鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過(guò)衛星平臺的中轉實(shí)現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展路線(xiàn)。 潘建偉表示，量子通信具有明顯的應用導向，從實(shí)驗室走向實(shí)際應用，需要經(jīng)歷基礎研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、工程化集成與驗證等階段，然后才能實(shí)現規?；虡I(yè)應用?！熬删€(xiàn)”和“墨子號”量子衛星等，都是基于我國前期10余年的基礎和應用研究成果而進(jìn)行的工程化集成與驗證項目，穩步推進(jìn)了量子通信的現實(shí)應用。 “正是由于我國率先開(kāi)展了規模適度的量子通信技術(shù)驗證與應用示范，牢固樹(shù)立了我國在量子通信領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位?！迸私▊フf(shuō)。 沖向更遠的里程碑 1998年6月，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系的支持下，張永德教授和郭光燦教授牽頭發(fā)起了我國第一次關(guān)于量子信息的香山會(huì )議，標志著(zhù)我國的量子信息研究拉開(kāi)序幕。 2001年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建國內首個(gè)量子實(shí)驗室。 將近20年后，該校潘建偉院士團隊相繼建立“量子計算優(yōu)越性”里程碑、推動(dòng)構建全球首個(gè)星地量子通信網(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)跑的變遷史。 “根據相干操縱量子比特的規模，國際學(xué)術(shù)界公認量子計算有幾個(gè)階段性的里程碑?！标愑畎扛嬖V記者。 第一個(gè)里程碑是實(shí)現“量子計算優(yōu)越性”，即量子計算機對玻色取樣、組合優(yōu)化等特定問(wèn)題的計算能力超越傳統超級計算機。2020年底，潘建偉院士團隊實(shí)現了76個(gè)光子的量子計算原型機“九章”。根據現有最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”處理更為復雜的“高斯玻色取樣”問(wèn)題的速度，比目前最快的超級計算機“富岳”快100萬(wàn)億倍，等效速度比谷歌的量子計算原型機“懸鈴木”快100億倍。這一成果使得我國成功達到了“量子計算優(yōu)越性”里程碑。 第二個(gè)里程碑是實(shí)現真正“有用”的專(zhuān)用量子模擬機，能夠解決一些經(jīng)典計算機難以求解的有重大應用價(jià)值的問(wèn)題。近年來(lái)，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(shí)現二維自旋-軌道耦合的人工制備、首次實(shí)現71個(gè)格點(diǎn)的量子模擬器并準確模擬了一維格點(diǎn)體系的Schwinger模型、首次觀(guān)測到超低溫度下基態(tài)分子與原子之間的散射共振等。這些工作為實(shí)現規?；某湓恿孔佑嬎闩c模擬奠定了基礎。 量子計算的終極夢(mèng)想則是第三個(gè)里程碑：實(shí)現可編程的通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬(wàn)個(gè)量子比特，同時(shí)將量子比特的操縱精度提高到超越容錯閾值（>99.9%），能在經(jīng)典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于技術(shù)上的巨大挑戰，何時(shí)實(shí)現通用量子計算機尚不明確，學(xué)術(shù)界一般認為還需要15年至20年甚至更長(cháng)的時(shí)間。 “我們非常有幸推動(dòng)了我國量子計算研究牢固確立了國際第一方陣的地位?！迸私▊フf(shuō)，他也始終堅信，“在國內一定擁有比國外更廣闊的事業(yè)發(fā)展空間”，將繼續帶領(lǐng)團隊沖向更遠的里程碑，爭取形成更大的優(yōu)勢。（記者 常河 丁一鳴）