2020年12月4日，中國科學技術大學宣布，由潘建偉領銜的研究團隊構建了76個光子100個模式的量子計算原型機“九章”。這一成果，使我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優(yōu)越性。

僅一個月后，潘建偉等人再創(chuàng)突破，構建了全球首個星地量子通信網絡！

今日凌晨，中國科學技術大學宣布：

潘建偉等人構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)（QKD）鏈路和兩個衛(wèi)星對地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通信網絡，實現了地面跨度4600公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)。

至此，我國已構建出天地一體化廣域量子通信網雛形。

“只有聾子才破解不了”

2020年1月6日，研究團隊的論文發(fā)表于國際知名學術期刊Nature，題為Anintegratedspace-to-groundquantumcommunicationnetworkover4，600kilometres（跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡）。

對于這項研究，Nature審稿人表示：

這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(fā)網絡，也是量子通信領域的巨大工程性成就。

Nature信息顯示，該論文作者來自于中國科學技術大學物理學院近代物理系、合肥微尺度物質科學國家實驗室、中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中國有線電視網絡有限公司、濟南量子技術研究院、中國科學院上海技術物理研究所空間主動光電技術重點實驗室，潘建偉教授則是通訊作者之一。

在密碼學中，密鑰（key）能夠完成秘密信息的加密、解密、完整性驗證。實際上，自人類使用語言以來，通過密鑰給信息加密的技術就在不斷發(fā)展。

1984年，物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基于量子力學測量原理的世界首個量子密鑰分發(fā)協議（BB84協議），旨在增加安全通信距離、提高安全性。依據該協議提出的量子密鑰分發(fā)（QKD，即quantumkeydistribution）可以為分隔兩地的用戶提供無條件的安全共享密鑰，在根本上保證了密鑰的安全性。

早在上世紀90年代，一篇來自IBM、加拿大蒙特利爾大學、加州大學洛杉磯分校聯合發(fā)表的論文就介紹了一種實現量子密鑰分發(fā)（QKD）的設備和協議。

概括來講，這一設備和協議的作用是：兩個一開始不共享秘密信息的用戶，交換由非常微弱的偏振光反射組成的隨機量子傳輸，隨后公開討論傳輸的發(fā)送和接收版本，估計被人竊聽的可能性，如果可能性足夠小，即可在發(fā)送和接收版本中提取隨機的共享信息。

這一整個過程依賴的便是量子物理學中的不確定性原理，它可以抵御任何有著無限計算能力的第三方。

實際上這便是世界首個QKD實驗的過程，線路僅32厘米。無疑，這是量子加密通信的一個標志性事件，但限于當時的技術，人們對它的一個調侃是“只有聾子才破解不了”。

全球首個星地量子通信網絡

不過，從最初不被理解到后來驚艷世人，正是科學的一大魅力所在。

近年來，量子加密通信快速發(fā)展，在我國，潘建偉教授的名字可以說已經是和這一領域“強綁定”了，其團隊做出的突破比如：

2016年8月16日凌晨1時40分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。由此，我國成為世界首個實現太空和地面之間量子通信的國家，我國天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系同時也建成了。

2017年9月29日，中國科學院宣布世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開通。此后，連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000多公里的量子通信骨干網絡，將推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域的大規(guī)模應用。

2020年2月發(fā)表論文顯示，已突破遠距離獨立激光相位干涉技術，實現500公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)，再次刷新了量子密鑰分發(fā)傳輸距離的世界紀錄。

2020年6月發(fā)表論文顯示，已實現1120公里無中繼糾纏量子密鑰分發(fā)，即國際上首次實現基于糾纏的千公里級量子密鑰分發(fā)。

中國在這一領域的研究進展世界有目共睹，但正如論文指出的那樣：

一個全球性的QKD網絡，應該是一個實際的（不僅是理論上的）安全可靠的QKD網絡，可被散布于世界各地的用戶使用。原則上，量子中繼器可為這樣的全球網絡提供可行方案，但目前的技術水平還不足以部署這樣的網絡。

據中國科學技術大學介紹，按通信信道劃分，量子密鑰分發(fā)主要分為兩種——地面光纖（信道穩(wěn)定性更加，不易受環(huán)境因素影響，更適合城際短距離場景）和自由空間（主要由衛(wèi)星中轉，適合距離較遠、目標移動等光纖資源受限的情形）。

因此：

將地面光纖和自由空間結合，可以實現大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網絡。

研究團隊的做法是將「墨子號」與「京滬干線」結合，集成了700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)鏈路和2個衛(wèi)星對地自由空間高速QKD鏈路。

無疑，這在世界領域還是首創(chuàng)！

最終，地面跨度為4600公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)得以構建。

據了解，團隊進行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測試、標準化研究以及政務金融電力等不同領域的應用示范。

在一次典型的衛(wèi)星傳輸中，從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)速率平均達到47.8千比特每秒——這比以前高出了40多倍。

此外論文也表示，這一網絡的信道損耗相當于地球同步衛(wèi)星與地面之間的信道損耗，也就是說，通過地球同步衛(wèi)星構建更多功能和超長量子鏈路成為可能。

天地一體化廣域量子通信網近了

這幅圖中的，正是締造了世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的量子物理學家、中國科學院院士潘建偉。在2016年的一次專訪中，Nature將他稱為「中國地空量子先驅」（China‘squantumspacepioneer）。

2020年11月，在騰訊科學WE大會上，潘建偉教授曾做了題為《新量子革命》的演講。

他表示，信息交互已經并將一直伴隨著人類的進化和社會的發(fā)展，在這一過程中有兩個東西是非常重要的，一是信息交互的效率，二是隱私的保護。而如何高效率地進行信息安全傳輸，潘建偉教授給出的答案是量子通訊和量子計算。

談及中國量子通信的未來時，他表示：

經過10-15年的努力，我們希望能夠完整地發(fā)展天地一體廣域量子的通訊網絡技術體系。

而如今，構建天地一體化量子通信網絡的可行性已經成功驗證，中國科學團隊所盼望實現的天地一體廣域量子的通訊網絡技術體系自然也不遠了。
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