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4600 公里!潘建伟团队重大突破再登 Nature,天地一体化广域量子通信网近了

本文作者:付静 2021-01-07 16:58
导语:“这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络。”

2020 年 12 月 4 日,中国科学技术大学宣布,由潘建伟领衔的研究团队构建了 76 个光子 100 个模式的量子计算原型机 “九章”。这一成果,使我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性。

仅一个月后,潘建伟等人再创突破,构建了全球首个星地量子通信网络!

今日凌晨,中国科学技术大学宣布:

潘建伟等人构建了世界上首个集成 700 多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个卫星对地自由空间高速 QKD 链路的广域量子通信网络,实现了地面跨度 4600 公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发。

至此,我国已构建出天地一体化广域量子通信网雏形。

“只有聋子才破解不了”

2020 年 1 月 6 日,研究团队的论文发表于国际知名学术期刊 Nature,题为 An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres(跨越 4600 公里的天地一体化量子通信网络)。

4600 公里!潘建伟团队重大突破再登 Nature,天地一体化广域量子通信网近了

对于这项研究,Nature 审稿人表示:

这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络,也是量子通信领域的巨大工程性成就。

Nature 信息显示,该论文作者来自于中国科学技术大学物理学院近代物理系、合肥微尺度物质科学国家实验室、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国有线电视网络有限公司、济南量子技术研究院、中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室,潘建伟教授则是通讯作者之一。

在密码学中,密钥(key)能够完成秘密信息的加密、解密、完整性验证。实际上,自人类使用语言以来,通过密钥给信息加密的技术就在不断发展。

1984 年,物理学家 Bennett 和密码学家 Brassard 提出了基于量子力学测量原理的世界首个量子密钥分发协议(BB84 协议),旨在增加安全通信距离、提高安全性。依据该协议提出的量子密钥分发(QKD,即 quantum key distribution)可以为分隔两地的用户提供无条件的安全共享密钥,在根本上保证了密钥的安全性。

早在上世纪 90 年代,一篇来自 IBM、加拿大蒙特利尔大学、加州大学洛杉矶分校联合发表的论文就介绍了一种实现量子密钥分发(QKD)的设备和协议。

4600 公里!潘建伟团队重大突破再登 Nature,天地一体化广域量子通信网近了

概括来讲,这一设备和协议的作用是:两个一开始不共享秘密信息的用户,交换由非常微弱的偏振光反射组成的随机量子传输,随后公开讨论传输的发送和接收版本,估计被人窃听的可能性,如果可能性足够小,即可在发送和接收版本中提取随机的共享信息。

这一整个过程依赖的便是量子物理学中的不确定性原理,它可以抵御任何有着无限计算能力的第三方。

实际上这便是世界首个 QKD 实验的过程,线路仅 32 厘米。无疑,这是量子加密通信的一个标志性事件,但限于当时的技术,人们对它的一个调侃是“只有聋子才破解不了”。

全球首个星地量子通信网络

不过,从最初不被理解到后来惊艳世人,正是科学的一大魅力所在。

近年来,量子加密通信快速发展,在我国,潘建伟教授的名字可以说已经是和这一领域“强绑定”了,其团队做出的突破比如:

  • 2016 年 8 月 16 日凌晨 1 时 40 分,酒泉卫星发射中心,长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。由此,我国成为世界首个实现太空和地面之间量子通信的国家,我国天地一体化的量子保密通信与科学实验体系同时也建成了。

  • 2017 年 9 月 29 日,中国科学院宣布世界首条量子保密通信干线“京沪干线”正式开通。此后,连接北京、上海,贯穿济南和合肥全长 2000 多公里的量子通信骨干网络,将推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用。

  • 2020 年 2 月发表论文显示,已突破远距离独立激光相位干涉技术,实现 500 公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发,再次刷新了量子密钥分发传输距离的世界纪录。

  • 2020 年 6 月发表论文显示,已实现 1120 公里无中继纠缠量子密钥分发,即国际上首次实现基于纠缠的千公里级量子密钥分发。

中国在这一领域的研究进展世界有目共睹,但正如论文指出的那样:

一个全球性的 QKD 网络,应该是一个实际的(不仅是理论上的)安全可靠的 QKD网络,可被散布于世界各地的用户使用。原则上,量子中继器可为这样的全球网络提供可行方案,但目前的技术水平还不足以部署这样的网络。

据中国科学技术大学介绍,按通信信道划分,量子密钥分发主要分为两种——地面光纤(信道稳定性更加,不易受环境因素影响,更适合城际短距离场景)和自由空间(主要由卫星中转,适合距离较远、目标移动等光纤资源受限的情形)。

因此:

将地面光纤和自由空间结合,可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通信网络。

研究团队的做法是将「墨子号」与「京沪干线」结合,集成了 700 多条地面光纤量子密钥分发链路和 2 个卫星对地自由空间高速 QKD 链路。

无疑,这在世界领域还是首创!

最终,地面跨度为 4600 公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发得以构建。

4600 公里!潘建伟团队重大突破再登 Nature,天地一体化广域量子通信网近了

【图源中国科学技术大学】

据了解,团队进行了两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。

在一次典型的卫星传输中,从卫星到地面的量子密钥分发速率平均达到 47.8 千比特每秒——这比以前高出了 40 多倍。

此外论文也表示,这一网络的信道损耗相当于地球同步卫星与地面之间的信道损耗,也就是说,通过地球同步卫星构建更多功能和超长量子链路成为可能。

天地一体化广域量子通信网近了

这幅图中的,正是缔造了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”的量子物理学家、中国科学院院士潘建伟。在 2016 年的一次专访中,Nature 将他称为「中国地空量子先驱」(China's quantum space pioneer)。

4600 公里!潘建伟团队重大突破再登 Nature,天地一体化广域量子通信网近了

2020 年 11 月,在腾讯科学 WE 大会上,潘建伟教授曾做了题为《新量子革命》的演讲。

他表示,信息交互已经并将一直伴随着人类的进化和社会的发展,在这一过程中有两个东西是非常重要的,一是信息交互的效率,二是隐私的保护。而如何高效率地进行信息安全传输,潘建伟教授给出的答案是量子通讯和量子计算。

谈及中国量子通信的未来时,他表示:

经过 10-15 年的努力,我们希望能够完整地发展天地一体广域量子的通讯网络技术体系。

而如今,构建天地一体化量子通信网络的可行性已经成功验证,中国科学团队所盼望实现的天地一体广域量子的通讯网络技术体系自然也不远了。

引用来源:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8

https://mp.weixin.qq.com/s/-xhFdYqR7YB72uDgMp3VLQ

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1688181762796479529&wfr=spider&for=pc

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