我國(guó)構(gòu)建全球首個(gè)天地一體化量子通信網(wǎng) 闖出科創(chuàng)“無(wú)人區(qū)”

極客網(wǎng)·極客要聞1月11日 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所等單位合作，在量子保密通信京滬干線與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星成功對(duì)接的基礎(chǔ)上，成功組建了世界上首個(gè)天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍從北京到上海，并通過(guò)衛(wèi)星連接到了烏魯木齊。

近日，這一成果有關(guān)論文在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature雜志上以“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”為題發(fā)表。論文中提到，這項(xiàng)工作表明量子技術(shù)成熟到了足以實(shí)用的地步，能夠通過(guò)地面光纖及衛(wèi)星將更多國(guó)家量子網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球量子網(wǎng)絡(luò)。

量子通信是一種未來(lái)科技，是全世界都在爭(zhēng)相研究的前沿與焦點(diǎn)領(lǐng)域。此次成果的取得，意味著在量子通信的領(lǐng)域，中國(guó)可以很驕傲地說(shuō)，我們正處于世界領(lǐng)先的地位。

什么是量子通信網(wǎng)

量子通信的原理不難理解，它主要是通過(guò)量子密鑰分發(fā)來(lái)確保通信的安全性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子密鑰就是將一串二進(jìn)制數(shù)字串加載到光子量子態(tài)上。當(dāng)處于不同地區(qū)的兩組用戶希望進(jìn)行通信時(shí)，他們會(huì)生成并安全共享一組量子密鑰，通過(guò)這種方式對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密和解密。

與傳統(tǒng)的通信方式相比，量子通信有著極高的安全性。這是由量子不可克隆定理決定的。由于任何的量子態(tài)都無(wú)法被完美復(fù)制，所以所有的對(duì)量子觀測(cè)、測(cè)量的過(guò)程都會(huì)對(duì)量子態(tài)造成破壞，繼而產(chǎn)生較高的誤碼率。這意味著如果有人企圖竊聽(tīng)或讀取量子密鑰都會(huì)被通信雙方察覺(jué)，這也使得信息傳輸?shù)陌踩阅軌虮槐ＷC。

按通信信道的不同，量子密鑰分發(fā)主要分為光纖和自由空間兩種實(shí)現(xiàn)方式。前一種實(shí)現(xiàn)方式具有較好的穩(wěn)定性，不易受到溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響。而后一種方式更適用于在超遠(yuǎn)距離、移動(dòng)目標(biāo)、島嶼和駐外機(jī)構(gòu)等光纖資源受限的場(chǎng)景，具體是通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道連接達(dá)成的。

通過(guò)兩種方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)與結(jié)合，量子通信的范圍得以向更大范圍延伸，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)，也就是所謂的天地一體化量子通信網(wǎng)。

據(jù)了解，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋了北京、濟(jì)南、合肥和上海四個(gè)量子城域網(wǎng)，由一條“京滬干線”連接起來(lái)，并有兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”衛(wèi)星相連。其中，干線長(zhǎng)2000公里，衛(wèi)星地面站相距2600公里，這意味著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶可以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)達(dá)到4600公里的量子通信。 

量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景

關(guān)于量子通信技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用前景，潘建偉教授曾經(jīng)提到，盡管量子通信是一個(gè)新興領(lǐng)域，但它并不會(huì)取代我們目前現(xiàn)有的通信方式；相反，考慮到量子通信具有極為可靠的保密性，該技術(shù)將以一種新的途徑來(lái)提高現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件的保密通信，抵御黑客攻擊，保護(hù)用戶的信息安全。有了量子通信技術(shù)，國(guó)防、金融、政務(wù)、商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題都能從根本上被解決。因此，量子通信技術(shù)被視為保障未來(lái)信息社會(huì)通信安全的重要基礎(chǔ)技術(shù)，有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景。

潘建偉教授曾舉出了一些具體的例子來(lái)說(shuō)明量子通信技術(shù)的重要性。他表示，“信息安全不僅對(duì)國(guó)家很重要，對(duì)個(gè)人來(lái)說(shuō)也是非常重要的。比如每天銀行的轉(zhuǎn)款、銀行的賬戶信息、密碼都是不能泄露的；無(wú)人駕駛的時(shí)候，遠(yuǎn)程控制汽車系統(tǒng)要盡可能防止被黑客攻擊，不然車輛行駛的安全就得不到保證。量子通信在原理上可以提供一種無(wú)條件安全通信的手段，可以在未來(lái)大幅度提升信息安全的水平。”

對(duì)抗量子攻擊是量子通信網(wǎng)需要克服的一大難題。建成后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)兩年多的研究，通過(guò)模擬光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時(shí)移攻擊、波長(zhǎng)依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊來(lái)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)“京滬干線”的穩(wěn)定性與安全性做出了驗(yàn)證。結(jié)果表明該干線可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案。同時(shí)京滬干線網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬(wàn)以上用戶同時(shí)使用。

目前，星地量子通信網(wǎng)已經(jīng)接入包括金融、電力、政務(wù)等多個(gè)行業(yè)的150多家用戶。該網(wǎng)絡(luò)有著極高的平均成碼率，可達(dá)47.8千比特每秒，比2017年時(shí)借助“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的1200千米距離內(nèi)的量子通信的平均成碼率高出四十余倍。

引領(lǐng)世界的量子通信技術(shù)

此次里程碑式的突破的背后，是中國(guó)量子科技領(lǐng)域科研人員長(zhǎng)達(dá)十幾年來(lái)不斷的努力?！澳犹?hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目于2011年12月立項(xiàng)，京滬干線項(xiàng)目于2013年7月立項(xiàng)，在近十年的時(shí)間里，中國(guó)的量子通信從跟跑、并跑，再到領(lǐng)跑，最后步入科技“無(wú)人區(qū)”，成為引領(lǐng)者，這個(gè)過(guò)程離不開(kāi)腳踏實(shí)地、勇于創(chuàng)新、不畏困難、不急功近利的科研工作者的持續(xù)付出。

我國(guó)在量子信息科技領(lǐng)域的一系列成果具有重要的國(guó)際影響力，對(duì)世界范圍內(nèi)量子科技的發(fā)展也有著強(qiáng)大的推動(dòng)作用。目前，歐美等國(guó)也陸續(xù)加快推進(jìn)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作。

2020年，美國(guó)提出要在未來(lái)5年展示實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)；另一邊，歐盟也表示希望在三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)全球范圍的量子安全密鑰分發(fā)，并用6-10年的時(shí)間使用量子中繼器在光纖上實(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通信。正如世界知名科學(xué)刊物評(píng)價(jià)的:“國(guó)際同行們正在努力追趕中國(guó),中國(guó)現(xiàn)在顯然是衛(wèi)星量子通信的世界領(lǐng)導(dǎo)者”。

而關(guān)于我國(guó)量子科技的未來(lái)，潘建偉教授提到，量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。據(jù)中科大官方報(bào)道，接下來(lái)，潘建偉團(tuán)隊(duì)將與多國(guó)團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)一步擴(kuò)大在中國(guó)的網(wǎng)絡(luò)，并致力于開(kāi)發(fā)小型、經(jīng)濟(jì)高效的量子密鑰分發(fā)衛(wèi)星和地面接收器，以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)公里級(jí)的量子密鑰分發(fā)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用范圍的持續(xù)擴(kuò)大，在未來(lái)，量子通信技術(shù)還會(huì)有著更廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

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