2021年1月7日，距離世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射過去了4年4個月，距離世界首條量子通信骨干網(wǎng)絡“京滬干線”開通過去了3年3個月，中國科學技術大學潘建偉團隊與合作者在《自然》（Nature）上發(fā)文，正式宣布天地一體化的大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡在技術上可行。

澎湃新聞發(fā)現(xiàn)，論文投遞于2019年1月，文中引述的許多實驗數(shù)據(jù)采集于2017年。因此，相比起最新成果展示，這篇題為《跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡》的文章的意義主要在于對中國量子通信技術實踐進行了歸納性的闡述，令中國構(gòu)建的世界首個大型天地一體化量子通信網(wǎng)接受國際學術期刊的檢驗。

經(jīng)過近2年的長考，《自然》審稿人評價道：“論文報告了一個令人印象深刻的工程成就”，“描述了地球上最大、最先進的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡”。

要知道，1989年，當首個量子密鑰分發(fā)（QKD）實驗在IBM實驗室內(nèi)實現(xiàn)，線路只有32厘米，而且因設備操作時會發(fā)出噪音，被調(diào)侃為只有聾子才破解不了量子保密通信。

從32厘米到4600公里，其中需要解決大量科學和技術問題。

這4600公里實際上是由2000公里+2600公里構(gòu)成的。2000公里，指的是京滬干線，采用的是地面光纖傳輸?shù)姆绞健９饫wQKD技術的信道穩(wěn)定性較好，不易受到溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，可以實現(xiàn)基本恒定的安全碼率，適用城域和城際范圍。

京滬干線覆蓋四省三市共32節(jié)點，在量子中繼技術尚未攻克的情況下，基于可信中繼方案實現(xiàn)了目前世界上最遠距離的量子密鑰分發(fā)干線。

建設過程中，研究團隊攻關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)絡管控監(jiān)控等系列工程化技術。

潘建偉團隊表示，京滬干線建成后開展了長達兩年多的相關技術驗證，已經(jīng)接入包括金融、電力、政務等150多家行業(yè)用戶。

在安全性測試方面，京滬干線通過了光子數(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，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)絡的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。

天地一體化量子通信網(wǎng)絡的另一部分，指的是以衛(wèi)星作為中繼站的星地QKD鏈路，適用于超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構(gòu)等光纖資源受限的場景。新疆南山和河北興隆兩個地面站之前的距離，就是2600公里。

研究團隊在優(yōu)化地面站接收光學系統(tǒng)、提高QKD發(fā)射系統(tǒng)時鐘頻率并應用更高效QKD協(xié)議的基礎上，最終在南山地面站實現(xiàn)了衛(wèi)星對地面站的高速量子密鑰分發(fā)，生成速率比之前的工作高出約40倍。

文章同時展望，量子技術成熟到了足以實用的地步。通過地面光纖及衛(wèi)星將更多國家量子網(wǎng)絡連接起來，全球量子網(wǎng)絡是可以實現(xiàn)的。

近期，歐美等國家、地區(qū)已經(jīng)出臺相關規(guī)劃。2020年，美國發(fā)布《量子網(wǎng)絡戰(zhàn)略愿景》提出，“未來5年，美國將展示實現(xiàn)量子網(wǎng)絡的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)”；

歐盟發(fā)布量子旗艦計劃《戰(zhàn)略研究議程》，提出“3年愿景是利用QKD協(xié)議和具有可信中繼節(jié)點的網(wǎng)絡實現(xiàn)全球范圍的安全密鑰分發(fā)，6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實現(xiàn)800公里以上的量子通信”。

潘建偉團隊表示，京滬干線和“墨子號”發(fā)展的相關技術為量子通信系統(tǒng)小型化、低成本、國產(chǎn)化奠定了基礎，也為形成衛(wèi)星量子通信國際技術標準奠定了基礎。