2021年1月7日，距離世界首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射過(guò)去了4年4個(gè)月，距離世界首條量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”開通過(guò)去了3年3個(gè)月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)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(luò)在技術(shù)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(shí)驗(yàn)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(luò)》的文章的意義主要在于對(duì)中國(guó)量子通信技術(shù)實(shí)踐進(jìn)行了歸納性的闡述，令中國(guó)構(gòu)建的世界首個(gè)大型天地一體化量子通信網(wǎng)接受國(guó)際學(xué)術(shù)期刊的檢驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)近2年的長(zhǎng)考，《自然》審稿人評(píng)價(jià)道：“論文報(bào)告了一個(gè)令人印象深刻的工程成就”，“描述了地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)”。

要知道，1989年，當(dāng)首個(gè)量子密鑰分發(fā)（QKD）實(shí)驗(yàn)在IBM實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)，線路只有32厘米，而且因設(shè)備操作時(shí)會(huì)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(xué)和技術(shù)問(wèn)題。

這4600公里實(shí)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?。光纖QKD技術(shù)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(shí)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(diǎn)，在量子中繼技術(shù)尚未攻克的情況下，基于可信中繼方案實(shí)現(xiàn)了目前世界上最遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā)干線。

建設(shè)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)攻關(guān)了高速量子密鑰分發(fā)、高速高效率單光子探測(cè)、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控監(jiān)控等系列工程化技術(shù)。

潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，京滬干線建成后開展了長(zhǎng)達(dá)兩年多的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證，已經(jīng)接入包括金融、電力、政務(wù)等150多家行業(yè)用戶。

在安全性測(cè)試方面，京滬干線通過(guò)了光子數(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(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。

天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)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(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。新疆南山和河北興隆兩個(gè)地面站之前的距離，就是2600公里。

研究團(tuán)隊(duì)在優(yōu)化地面站接收光學(xué)系統(tǒng)、提高QKD發(fā)射系統(tǒng)時(shí)鐘頻率并應(yīng)用更高效QKD協(xié)議的基礎(chǔ)上，最終在南山地面站實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星對(duì)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(shí)展望，量子技術(shù)成熟到了足以實(shí)用的地步。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)，全球量子網(wǎng)絡(luò)是可以實(shí)現(xiàn)的。

近期，歐美等國(guó)家、地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)規(guī)劃。2020年，美國(guó)發(fā)布《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》提出，“未來(lái)5年，美國(guó)將展示實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)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(jì)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(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通信”。

潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，京滬干線和“墨子號(hào)”發(fā)展的相關(guān)技術(shù)為量子通信系統(tǒng)小型化、低成本、國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)，也為形成衛(wèi)星量子通信國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。