潘建伟团队登上《自然》：4600公里量子通信网是如何实现

1989年，当首个量子密钥分发（QKD）实验在IBM实验室内实现，线路只有32厘米，而且因设备操作时会发出噪音，被调侃为只有聋子才破解不了量子保密通信。

如今，在“墨子号”量子通信实验卫星和京沪干线的串联下，中国已经实现了4600公里的量子保密通信网络，并为超过150名用户提供服务。

北京时间1月7日零时，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟团队在世界顶级学术期刊《自然》（Nature）杂志上发文详解了这种“连连看”是如何实现的。文章题为《一个超过4600公里的集成星地量子通信网络》（An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres）。

文章认为，这项工作表明量子技术成熟到了足以实用的地步。通过地面光纤及卫星将更多国家量子网络连接起来，全球量子网络可以实现。

量子通信的距离问题

量子密钥的特点在于它是编码在光子的量子态上，依据量子不可克隆定理，一个未知的量子态不能够被精确地复制，一旦被测量也会被破坏。因此，一旦有人窃取并试图自行读取量子密钥，一定会被发现。

不可复制也有坏处，那就是工程上无法像电信号一样被增强。光子通过长距离光纤传输，必然会产生损耗。

再加上环境噪音的影响，目前现实世界条件下两个地面用户之间直接通过光纤分发量子密钥，最远距离只能达到约100 公里。

在量子中继器技术尚未成熟的情况下，距离长达2000公里的世界首条量子保密通信干线“京沪干线”沿途设置了32个中继站点进行“接力”，通过人工值守、网络隔离等手段保障中继站点内的信息安全。

当然，除了现实可用的技术，科学家们也在探索一些更为前沿的新技术以解决距离问题。例如，双场量子密钥分发（TF-QKD）。在这方面，济南量子技术研究院王向斌团队与潘建伟团队合作将真实环境光纤的双场量子密钥分发距离从300公里拓展到了509公里。

另一方面，高轨道的卫星可以作为天基中继站点。对于长距离或洲际用户来说，由于自由空间内量子信号衰减水平低、退相干效应可以忽略，星地QKD成了最具吸引力的方案。

2017年，潘建伟团队借助 “墨子号”卫星成功向河北兴隆地面站分发了量子密钥，最远距离达到1200千米，平均成码率可达1.1kbps（每秒1.1千比特）。

关键技术

尽管之前的实验已经证明了小规模量子城域网和关键服务的可行性，但建设实用的大规模量子广域网络仍需克服几大挑战。

量子密钥分发设备、控制设备和经典通信设备。SPD指单光子探测器

关于星地链路，他们则通过大幅提升系统软硬件设计实现了高速星地QKD。硬件方面，优化了地面接收器的光学系统，提高了QKD系统的时钟速率；软件方面，采用更高效的QKD协议来生成密钥。

此外，他们还将星地QKD距离从1200公里提升到2000公里，相应的覆盖角度为170度，几乎是整个天空。南山地面站里的远程用户可以与“京沪干线”上的任一节点进行QKD，无需额外的地面站或光纤链路。

星地量子通信网络

基于这些技术突破，一个集成的星地量子通信网络成形，由一个包括700多个QKD链路的大规模光纤网络和两段星地自由空间QKD链路组成。

该网络平均成码率可达47.8.1kbps，比此前的“墨子号”实验高出40多倍。

从示意图可知，的星地量子通信网络包括北京、济南、上海、合肥四个光纤量子城域网（红色箭头）、1条“京沪干线” （橙色线路）和连接兴隆、南山两个地面站（蓝色方框）的星地链路。其中，干线长2000公里，两个卫星地面站相距2600公里

位于南山地面站的1.2米望远镜和位于兴隆地面站的1米望远镜

每个量子城域网中都有三种节点，紫色圆圈为用户节点，绿色圆圈为全通光开关，粉色圆圈为可信节点。

文章介绍道，地面上的量子保密通信光纤网络已经在为150多名用户提供服务。那么，量子通信网络架构和管理到底是怎么进行的呢？文章以从北京到上海的安全传输为例进行阐述。

北京用户想要传输信息，计算机向密钥管理系统发送请求密钥的命令，并向路由器寻找经典信息传输的经典路径。密钥管理系统检查密钥是否足够。如果是，那就是将密钥发送到计算机；否则，它将向量子系统服务器发送生成更多密钥的命令。量子系统服务器将命令发送至量子控制系统，找到最佳的密钥生成路径，发送生成密钥的命令。密钥在量子物理层中生成，储存在量子管理系统。使用密钥对消息进行编码或解码之后，信息可以安全地传输给上海的用户。

展望全球量子网络

文章总结道，这项工作表明量子技术成熟到了足以实用的地步。通过地面光纤及卫星将更多国家量子网络连接起来，全球量子网络可以实现。

随着量子信号操控技术的发展，那些尚在实验室阶段的新型QKD方案也将步入实用，例如测量器件无关QKD、双场QKD等。

将测量器件无关QKD和校准良好的设备结合起来，量子密钥分发系统可以在现实条件下提供足够的安全性

潘建伟团队表示，“京沪干线”可以直接升级以适应这些新方案。

展望未来，文章认为，随着量子通信网络扩展形成更复杂的拓扑结构和完整的环路，我们可以探索安全时频传输、对量子引力的基本测试、大规模干涉测量应用。分布式量子计算、量子中继器在不远的将来也可能实现。