1月7日，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(jì)南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”（An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres）的論文。

研究團(tuán)隊(duì)在量子保密通信“京滬干線”與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星成功對接的基礎(chǔ)上，構(gòu)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)星地自由空間高速Q(mào)KD鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)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)，并進(jìn)行了長達(dá)兩年多的穩(wěn)定性和安全性測試、標(biāo)準(zhǔn)化研究以及政務(wù)金融電力等不同領(lǐng)域的應(yīng)用示范。論文是對上述成果的一個(gè)系統(tǒng)性總結(jié)，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。我國科研人員通過構(gòu)建天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，為未來實(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)。

按通信信道的不同，量子密鑰分發(fā)主要有光纖和自由空間兩種實(shí)現(xiàn)方式。光纖量子密鑰分發(fā)技術(shù)的信道穩(wěn)定性較好，不易受溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，但由于光纖固有衰減特性，光纖量子密鑰分發(fā)傳輸距離限制在百公里量級。自由空間量子密鑰分發(fā)以大氣層和外太空的自由空間為傳輸介質(zhì)，光子在自由空間中具有低損耗特性，這使得基于衛(wèi)星平臺(tái)的千公里以上量級量子密鑰分發(fā)成為可能。

“京滬干線”于2017年8月底完成驗(yàn)收，總長超過2000公里，是世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，目前已經(jīng)接入金融、電力、政務(wù)等150余家行業(yè)用戶。研究團(tuán)隊(duì)攻克了高速量子密鑰分發(fā)、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)。安全性測試結(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，密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬以上用戶同時(shí)使用。

“墨子號(hào)”于2016年8月成功發(fā)射，已經(jīng)圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)定的全部三大科學(xué)目標(biāo)。“墨子號(hào)”與河北興隆地面站建立了光鏈路，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級。最近，研究團(tuán)隊(duì)在南山地面站實(shí)現(xiàn)單軌衛(wèi)星對地面站量子密鑰生成速率達(dá)每秒47.8kb，比之前工作高約40倍。此外，還將衛(wèi)星與地面的安全成碼距離從1200公里延長到2000公里，地面站俯仰角跨度幾乎可以覆蓋整個(gè)天空，其信道損耗與中高軌道衛(wèi)星與地面之間的損耗相當(dāng)，為未來在中高軌衛(wèi)星應(yīng)用量子通信打下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2019年，國家電網(wǎng)有限公司基于“墨子號(hào)”建立從北京至新疆跨越2600公里的量子密鑰分發(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)了星地量子通信開展實(shí)際業(yè)務(wù)的可行性。

這項(xiàng)工作得到國家發(fā)展和改革委員會(huì)、山東省、安徽省、上海市、中國銀行業(yè)監(jiān)督管理委員會(huì)、中科院、科技部、國家自然科學(xué)基金委的支持。

天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)示意圖