跨越4600千米！天地一體化量子通信

天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)是“墨子號(hào)”與“京滬干線”貫通的天地大演示，與2017年的首次短暫碰面不同，這個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)是世界上首個(gè)集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)鏈路和兩個(gè)星地自由空間高速鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了地面跨度4600km的天地一體的大范圍、多用戶量子保密密鑰分發(fā)，并進(jìn)行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)化研究及政務(wù)、金融、電力等不同領(lǐng)域的應(yīng)用示范，成功驗(yàn)證構(gòu)建天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。

2021 年 1 月 7 日，中國(guó)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(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國(guó)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表了題為《跨越 4 600km 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(yīng)用中的條件已初步成熟。

《自然》雜志審稿人評(píng)價(jià)稱，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”。

該天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)“京滬干線”覆蓋我國(guó)四省三市32 個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海 4 個(gè)量子城域網(wǎng)，同時(shí)通過(guò)“墨子號(hào)”連接西藏阿里站、云南麗江站、烏魯木齊南山站和青海德令哈站4 個(gè)地面站，而北京興隆站在這之前已接入“京滬干線”，是“墨子號(hào)”與“京滬干線”的連接點(diǎn)，如圖 4-22 所示?！? 600km”是因?yàn)檫@個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)京滬干線覆蓋從北京到上海，光纖總長(zhǎng)超過(guò) 2 000km，又通過(guò)衛(wèi)星從北京興隆站連到了烏魯木齊南山站，橫跨 2 600km 左右。中國(guó)科研人員通過(guò)構(gòu)建天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)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(chǔ)。

“京滬干線”建成后，開(kāi)展了兩年多的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用示范和大量的穩(wěn)定性測(cè)試、安全性測(cè)試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究，通過(guò)了光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時(shí)移攻擊、波長(zhǎng)依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測(cè)試，結(jié)果表明“京滬干線”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案，同時(shí)“京滬干線”網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持 1.2 萬(wàn)以上用戶同時(shí)使用。

該天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)接入金融、電力、政務(wù)等 150 多家行業(yè)用戶。2019 年年初，國(guó)家電網(wǎng)有限公司基于該網(wǎng)絡(luò)，建立了跨越2 600km、從北京總公司至國(guó)家電網(wǎng)新疆電力有限公司的量子密鑰分發(fā)信道，實(shí)現(xiàn)了電力通信數(shù)據(jù)加密傳輸，首次從工程上檢驗(yàn)了星地量子通信開(kāi)展實(shí)際業(yè)務(wù)的可行性。在天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)大量測(cè)試的結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化研究的基礎(chǔ)上，全球三大標(biāo)準(zhǔn)化組織之一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 /國(guó)際電工委員會(huì)（ISO/IEC）正在基于“京滬干線”的實(shí)踐編制國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《量子密鑰分發(fā)的安全要求、測(cè)試與評(píng)估方法》，另一國(guó)際組織國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）也正基于“京滬干線”的建設(shè)模式起草可信中繼安全要求等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并已發(fā)布量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

這項(xiàng)工作發(fā)展的相關(guān)技術(shù)也為量子通信系統(tǒng)小型化、低成本、國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)，研究人員不斷探索將光學(xué)地面站做得小型化、可移動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面更靈活、更高效的對(duì)接。團(tuán)隊(duì)成功研制了質(zhì)量約百千克的小型地面站，實(shí)現(xiàn)了小型地面站與“墨子號(hào)”的星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并和國(guó)際多個(gè)地面站進(jìn)行了星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，未來(lái)小型地面站有望進(jìn)一步做到可單人搬運(yùn)。同時(shí)，在保證密鑰分發(fā)速率的前提下，已經(jīng)成功研制幾十千克的小型空間量子密鑰分發(fā)載荷，這些成果也為形成衛(wèi)星量子通信國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

——摘自《星耀中國(guó) 我們的量子科學(xué)衛(wèi)星》