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”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，這個通信網(wǎng)絡(luò)是世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)鏈路和兩個星地自由空間高速鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(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)，并進行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測試、標(biāo)準化研究及政務(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)在實際應(yīng)用中的條件已初步成熟。

《自然》雜志審稿人評價稱，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(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“京滬干線”覆蓋我國四省三市32 個節(jié)點，包括北京、濟南、合肥和上海 4 個量子城域網(wǎng)，同時通過“墨子號”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 個地面站，而北京興隆站在這之前已接入“京滬干線”，是“墨子號”與“京滬干線”的連接點，如圖 4-22 所示?！? 600km”是因為這個網(wǎng)絡(luò)通過京滬干線覆蓋從北京到上海，光纖總長超過 2 000km，又通過衛(wèi)星從北京興隆站連到了烏魯木齊南山站，橫跨 2 600km 左右。中國科研人員通過構(gòu)建天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，為未來實現(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，開展了兩年多的相關(guān)技術(shù)驗證、應(yīng)用示范和大量的穩(wěn)定性測試、安全性測試及相關(guān)標(biāo)準化研究，通過了光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時移攻擊、波長依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測試，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方案，同時“京滬干線”網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持 1.2 萬以上用戶同時使用。

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、從北京總公司至國家電網(wǎng)新疆電力有限公司的量子密鑰分發(fā)信道，實現(xiàn)了電力通信數(shù)據(jù)加密傳輸，首次從工程上檢驗了星地量子通信開展實際業(yè)務(wù)的可行性。在天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)大量測試的結(jié)果及標(biāo)準化研究的基礎(chǔ)上，全球三大標(biāo)準化組織之一國際標(biāo)準化組織 /國際電工委員會（ISO/IEC）正在基于“京滬干線”的實踐編制國際標(biāo)準《量子密鑰分發(fā)的安全要求、測試與評估方法》，另一國際組織國際電信聯(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際標(biāo)準，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。

這項工作發(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，以此實現(xiàn)衛(wèi)星與地面更靈活、更高效的對接。團隊成功研制了質(zhì)量約百千克的小型地面站，實現(xiàn)了小型地面站與“墨子號”的星地量子密鑰分發(fā)實驗，并和國際多個地面站進行了星地量子密鑰分發(fā)實驗，未來小型地面站有望進一步做到可單人搬運。同時，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)星量子通信國際技術(shù)標(biāo)準奠定了基礎(chǔ)。

——摘自《星耀中國 我們的量子科學(xué)衛(wèi)星》