澎湃新聞?dòng)浾哂莺?span style="display:none">B4F物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
1989年，當(dāng)首個(gè)量子秘鑰分發(fā)（QKD）實(shí)驗(yàn)在IBM實(shí)驗(yàn)室外實(shí)現(xiàn)，線路只有32分米，但是因設(shè)備操作時(shí)會(huì)發(fā)出噪聲，被嘲諷為只有聾子才破解不了量子保密通訊。
現(xiàn)在，在“墨子號(hào)”量子通訊實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和滬寧干線的串聯(lián)下，中國早已實(shí)現(xiàn)了4600公里的量子保密通訊網(wǎng)路，并為超過150名用戶提供服務(wù)。
上海時(shí)間1月7日零時(shí)，中科院教授、中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界頂尖學(xué)術(shù)刊物《自然》（）刊物上發(fā)文解讀了這些“連連看”是怎樣實(shí)現(xiàn)的。文章題為《一個(gè)超過4600公里的集成星地量子通訊網(wǎng)路》（Anspace-to-over4,600）。
文章覺得，這項(xiàng)工作表明量子技術(shù)成熟到了足以實(shí)用的地步。通過地面光纖及衛(wèi)星將更多國家量子網(wǎng)路聯(lián)接上去，全球量子網(wǎng)路可以實(shí)現(xiàn)。
量子通訊的距離問題
量子秘鑰的特征在于它是編碼在光子的量子態(tài)上，根據(jù)量子不可克隆定律，一個(gè)未知的量子態(tài)不能否被精確地復(fù)制，一旦被檢測(cè)也會(huì)被破壞。為此，一旦有人盜用并企圖自行讀取量子秘鑰，一定會(huì)被發(fā)覺。
不可復(fù)制也有益處，那就是工程上未能像聯(lián)通號(hào)一樣被提高。光子通過長距離光纖傳輸，必然會(huì)形成耗損。
再加帶環(huán)境噪聲的影響，目前現(xiàn)實(shí)世界條件下兩個(gè)地面用戶之間直接通過光纖分發(fā)量子秘鑰，最遠(yuǎn)距離只能達(dá)到約100公里。
在量子中繼器技術(shù)仍未成熟的情況下，距離歷時(shí)2000公里的世界首列量子保密通訊干線“京滬干線”沿途設(shè)置了32個(gè)中繼站點(diǎn)進(jìn)行“接力”，通過人工值守、網(wǎng)絡(luò)隔離等手段保障中繼站點(diǎn)內(nèi)的信息安全。
其實(shí)，不僅現(xiàn)實(shí)可用的技術(shù)，科學(xué)家們也在探求一些更為前沿的新技術(shù)以解決距離問題。諸如，雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)（TF-QKD）。在這方面，北京量子技術(shù)研究院王向斌團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)合作將真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)距離從300公里拓展到了509公里。
另一方面，高軌道的衛(wèi)星可以作為天基中繼站點(diǎn)。對(duì)于長距離或洲際用戶來說，因?yàn)樽杂煽臻g內(nèi)量子訊號(hào)衰減水平低、退相干效應(yīng)可以忽視，星地QKD成了最具吸引力的方案。
2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”衛(wèi)星成功向廣東興隆地面站分發(fā)了量子秘鑰，最遠(yuǎn)距離達(dá)到1200千米潘建偉 量子通訊，平均成分辨率可達(dá)1.1kbps（每秒1.1千比特）。
關(guān)鍵技術(shù)
雖然之前的實(shí)驗(yàn)早已證明了小規(guī)模量子城域網(wǎng)和關(guān)鍵服務(wù)的可行性，但建設(shè)實(shí)用的大規(guī)模量子廣域網(wǎng)路仍需克服幾大挑戰(zhàn)。
地面量子通訊光纖網(wǎng)路已在為150多名用戶提供服務(wù)，在這方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)演示了上轉(zhuǎn)換單光子偵測(cè)器、密集波分復(fù)用、高效頂?shù)讉鬏敗?shí)時(shí)后處理和監(jiān)控等核心關(guān)鍵技術(shù)，最重要的是對(duì)抗已知的量子功擊。
量子秘鑰分發(fā)設(shè)備、控制設(shè)備和精典通訊設(shè)備。SPD指單光子偵測(cè)器
據(jù)悉，她們還將星地QKD距離從1200公里提高到2000公里，相應(yīng)的覆蓋角度為170度，幾乎是整個(gè)天空。南山地面站里的遠(yuǎn)程用戶可以與“京滬干線”上的任一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行QKD，無需額外的地面站或光纖鏈路。
星地量子通訊網(wǎng)路
基于這種技術(shù)突破，一個(gè)集成的星地量子通訊網(wǎng)路成型，由一個(gè)包括700多個(gè)QKD鏈路的大規(guī)模光纖網(wǎng)路和兩段星地自由空間QKD鏈路組成。
該網(wǎng)路平均成分辨率可達(dá)47.8.1kbps，比此前的“墨子號(hào)”實(shí)驗(yàn)高出40多倍。
光纖QKD鏈路歷時(shí)2000公里，而星地QKD鏈路歷時(shí)2600公里，兩相結(jié)合，網(wǎng)路內(nèi)任意一個(gè)用戶可以實(shí)現(xiàn)最歷時(shí)到4600公里的量子保密通訊。
從示意圖可知，的星地量子通訊網(wǎng)路包括上海、濟(jì)南、上海、合肥四個(gè)光纖量子城域網(wǎng)（藍(lán)色箭頭）、1條“京滬干線”（紅色線路）和聯(lián)接興隆、南山兩個(gè)地面站（紅色方框）的星地鏈路。其中，干線長2000公里，兩個(gè)衛(wèi)星地面站相距2600公里
同時(shí)，興隆地面站也與上海量子城域網(wǎng)通過光纖鏈接。
坐落南山地面站的1.2米望遠(yuǎn)鏡和坐落興隆地面站的1米望遠(yuǎn)鏡
每位量子城域網(wǎng)中都有三種節(jié)點(diǎn)，白色圓圈為用戶節(jié)點(diǎn)，紅色圓圈為全通光開關(guān)，白色圓圈為可信節(jié)點(diǎn)。
文章介紹道，地面上的量子保密通訊光纖網(wǎng)路早已在為150多名用戶提供服務(wù)。這么，量子通訊網(wǎng)路構(gòu)架和管理究竟是如何進(jìn)行的呢？文章以從上海到南京的安全傳輸為例進(jìn)行探討。
上海用戶想要傳輸信息，計(jì)算機(jī)向秘鑰管理系統(tǒng)發(fā)送懇求秘鑰的命令，并向路由器找尋精典信息傳輸?shù)木渎窂健Ｃ罔€管理系統(tǒng)檢測(cè)秘鑰是否足夠。假如是，那就是將秘鑰發(fā)送到計(jì)算機(jī)；否則，它將向量子系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送生成更多秘鑰的命令。量子系統(tǒng)服務(wù)器將命令發(fā)送至量子控制系統(tǒng)，找到最佳的秘鑰生成路徑，發(fā)送生成秘鑰的命令。秘鑰在量子化學(xué)層中生成，儲(chǔ)存在量子管理系統(tǒng)。使用秘鑰對(duì)消息進(jìn)行編碼或解碼以后，信息可以安全地傳輸給北京的用戶。
展望全球量子網(wǎng)路
文章總結(jié)道，這項(xiàng)工作表明量子技術(shù)成熟到了足以實(shí)用的地步。通過地面光纖及衛(wèi)星將更多國家量子網(wǎng)路聯(lián)接上去，全球量子網(wǎng)路可以實(shí)現(xiàn)。
隨著量子訊號(hào)操控技術(shù)的發(fā)展，這些尚在實(shí)驗(yàn)室階段的新型QKD方案也將進(jìn)入實(shí)用，比如檢測(cè)元件無關(guān)QKD、雙場(chǎng)QKD等。
將檢測(cè)元件無關(guān)QKD和校正良好的設(shè)備結(jié)合上去潘建偉 量子通訊，量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)可以在現(xiàn)實(shí)條件下提供足夠的安全性
潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，“京滬干線”可以直接升級(jí)以適應(yīng)這種新方案。
展望未來，文章覺得，隨著量子通訊網(wǎng)路擴(kuò)充產(chǎn)生更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和完整的支路，我們可以探求安全時(shí)頻傳輸、對(duì)量子引力的基本測(cè)試、大規(guī)模干涉檢測(cè)應(yīng)用。分布式量子估算、量子中繼器在不遠(yuǎn)的將來也可能實(shí)現(xiàn)。