中国量子通信登上世界之巅

2019-11-21张文卓

科学24小时 2019年10期

张文卓

备受关注的量子通信

2018年，有着诺贝尔物理学奖风向标之称的沃尔夫物理学奖颁给了在量子通信领域作出开创性理论贡献的两位科学家本内特和布拉萨德，这代表了国际上对量子通信重要意义的肯定。

在介绍沃尔夫物理学奖获得者的网页上，专门提到了量子密钥分发已经成功实现商业化，在光纤中的通讯距离已经达到几百千米，用卫星可以做到上千千米。需要强调的是，这2个纪录都是由我国科学家创造的。这代表了中国科学家的杰出贡献，也标志着中国量子通信达到世界领先水平。

量子通信是量子信息学的一个重要分支，它利用量子力学原理对量子态进行操控，在2个地点之间进行信息交互，完成经典通信所不能完成的任務。量子通信有2个基本的研究方向：一是量子密钥分发（即量子密码）;二是量子隐形传态。值得一提的是，本内特和布拉萨德不仅是已经实用化的量子密钥分发方案（即BB84协议）的提出者，同时也是量子隐形传态理论最早的创立者。

量子密钥分发（QKD）可以让远距离的用户共享无法破解的密钥，因此量子密钥分发始终是量子通信的一个重要方向，这一观点早已在国际上达成了共识。美国物理学会使用的学科分类系统PhySH将量子密钥分发（量子密码）作为量子通信条目下面的一个子条目。欧盟最新发布的《量子宣言》将以量子密钥分发为核心的量子保密通信作为量子通信领域未来的主要发展方向。

“京沪干线”与它的异国“兄弟们”

由于信号的损耗，量子密钥分发在地面上通过光纤直接传输有一个距离的上限，约100多千米。为了通过光纤实现距离更远的量子密钥分发，就需要增加中继节点。在中继节点“可信”时，也就是说中继节点的量子密钥保证安全保密时，通过“一次一密”的加密传输方法，就可以保证用户密钥传输的安全。这样的技术被称为“可信中继技术”。

量子通信要实现商用，可以采用中继节点的密钥“落地即密”技术、密钥分拆中继技术、中继密钥迭代变换技术等，这不仅可以保障无人值守下的中继节点足够可信，而且还可消除中继节点密钥泄露造成的密钥泄露风险。总的来说，对于各级别的应用，可信中继的安全保障都可以做到有效且可靠。目前，国内和国际上的标准化专业组织都结合已有的工程实践启动了可信中继标准（包括安全性标准）的研究和制定工作，这将为应用可信中继技术的安全保障奠定基础。

2017年，我国正式建成了世界上最长的量子保密通信主干网“京沪干线”，干线经过济南和合肥2个城域网，将北京和上海连接起来，总长约2000千米。“京沪干线”采用的就是可信中继技术。目前，“京沪干线”已经正式投入运营，用户数量在不断增加，应用领域也在不断扩大，主要用户包括多家国有银行，以及中国电信、国家电网等央企。

随着“京沪干线”的建成，世界主要发达国家都已经或正在加紧实施远距离量子通信干线工程，一些干线网络也已经初步建成。

美国成立了专门从事量子通信网络建设的Quantum Xchange公司，为政府机构和企业提供量子安全加密解决方案。目前，该公司已建设沿美国东海岸连接华盛顿和波士顿的总长约800千米的美国首个州际、商用量子密钥分发网络，将华尔街的金融市场和新泽西州的后台业务连接起来，帮助银行实现高价值交易和关键任务数据的安全，并计划将服务范围拓展至健康医疗和关键基础设施领域。

“墨子号”实现千公里级星地双向量子纠缠分发（成果以世界顶级学术期刊美国《科学》杂志当期的封面论文“量子飞跃”发表）。

英国正在建设国家量子通信测试网络，目前已经建成连接布里斯托、剑桥、南安普顿和伦敦大学学院（UCL）的干线网络。2018年6月，该干线网络已延伸至英国国家物理实验室（NPL）和英国电信公司（BT）Adastral Park研发中心。

韩国计划到2020年，分3个阶段建设国家量子保密通信测试网络。它由韩国科学、信息通讯和未来规划部资助，韩国最大的移动通信运营商SK电信牵头，联合企业、学校、研究机构等多家单位共同完成，网络总长约256千米。

2016年8月，俄罗斯已经在其鞑靼斯坦共和国境内正式启动了首条多节点量子互联网络试点项目。该量子网络目前连接了4个节点，每个节点之间的距离为30～40千米。俄罗斯量子中心计划借鉴“京沪干线”的经验，在俄罗斯建设量子保密通信网络基础设施，前期将建设莫斯科到圣彼得堡的线路。

本内特（左）和布拉萨德（右）

“墨子号”量子科学实验卫星技术领先世界

我国量子通信的光纤城域网已经逐渐趋于成熟，并且创造了量子密钥分发安全距离达到404千米的世界纪录。为了将量子通信在更远的距离上应用，有3种方式可以选择：一是利用量子中继;二是利用可信中继;三是利用自由空间信道，即量子通信卫星。

我国科学家已经在量子中继的核心——量子存储器上取得了世界上综合性能最好的结果，但是量子中继离实用化还有一段距离，它的难度堪比量子计算机。可信中继技术比较具有实用价值，比如我国已经建成的量子保密通信“京沪干线”。而利用量子卫星建立的量子通信网络，可以在全球范围内覆盖各类海岛、远洋船舶、驻外机构等光纤难以或者无法到达的地方，保障全球范围内的信息传输安全。

美国首个州际、商用量子密钥分发（QKD）网络

英国国家量子通信测试网示意图

韓国量子保密通信网络建设规划

2016年8月，我国发射的“墨子号”量子科学实验卫星，在2017年星地量子密钥分发的成码率已达到10kbps量级，成功验证了星地量子密钥分发的可行性。目前，经过系统优化，密钥分发成码率已能够达到100kbps量级，具备了初步的实用价值。因此，国内很多部门都希望能够将星地密钥分发应用于其现有的加密体系中，进一步提升信息传输的安全性。同时，我国科学家也在针对“墨子号”量子科学实验卫星存在的问题，深入地进行关键技术攻关，有望在未来突破地影区的限制，实现全天候量子密钥分发，进一步提升量子密钥分发的速率、降低设备成本、提高设备可靠性，为未来量子密钥分发大规模应用奠定技术基础。

此外，“墨子号”量子科学实验卫星还有一个非常重要的基础科学目标，那就是开展量子物理基本问题检验：通过千千米量级的量子纠缠分发，能够首次在空间尺度检验量子力学的非定域性，并利用量子纠缠在地面和卫星之间实现量子隐形传态。2017年，“墨子号”量子科学实验卫星已经圆满完成了这2个目标。这2项科学成果使人类首次具有在空间尺度开展量子科学实验的能力，为未来在外太空开展广义相对论、量子引力等物理学基本原理的检验做好了必要的技术准备，为我国在基础物理学领域对世界的一项重要贡献。

随着我国“墨子号”量子科学实验卫星相关工作的成功开展，一些发达国家也相继开始实施空间量子通信计划。2017年11月，欧洲空间局（ESA）向欧盟委员会提交了《空间量子技术》战略报告，指出欧洲应在5年内发射商用低轨量子通信卫星，研发高轨卫星、低成本立方卫星和地面站。2018年5月，欧洲空间局与全球领先的卫星通信公司SES签署了开发量子加密通信系统的协议，成立了卫星网络安全联盟，成员包括瑞士IDQ公司、奥地利AIT公司、德国航空航天中心（DLR）等机构和设备制造商Tesat-Spacecom公司等。2016年，意大利启动了Q-SecGroundSpace项目。2017年，德国提出了测量3.6万千米高空卫星发射量子态的方案。同年，日本也验证了用于星地量子密钥分发的高性能激光设备的可行性。英国和新加坡正在联合建立基于立方卫星的量子加密卫星链路，并计划于2021年底投入运行。美国宇航局发布了空间量子实验白皮书。美国喷气推进实验室及加拿大航天局都在规划研制新一代的量子通信卫星。总体来看，目前我国在卫星量子通信方面领先这些发达国家5年左右的时间。