我国构建全球首个量子通信网

[本刊讯] 中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、彭承志团队与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院、中国有线电视网络有限公司合作，在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上，构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发（QKD）链路和两个星地自由空间高速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QKD。相关论文以“An integrated spaceto-ground quantum communication network over 4600 kilometres”（跨越4600公里的天地一体化量子通信网络）为题，于2021年1月7日发表在《自然》（Nature）上。

量子保密通信京沪干线总长超过2000公里，覆盖4省3市共32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线，于2017年9月底正式开通。建设过程中，研究团队攻克了高速QKD、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控监控等系列工程化实现的关键技术。建成后，开展了两年多的相关技术验证和应用示范，大量的稳定性测试、安全性测试及相关标准化研究，通过了光子数分离攻击、致盲攻击、时移攻击、波長依赖攻击和一些潜在的特洛伊木马攻击等安全性测试，结果表明“京沪干线”网络可以抵御目前所有已知的量子黑客攻击方案，其密钥分发量原则上可支持近万用户同时使用。

“墨子号”量子卫星于2016年8月在酒泉卫星发射中心成功发射，圆满完成了预定的全部科学目标。在该工作中，研究团队在优化地面站接收光学系统、提高QKD发射系统时钟频率并应用更高效QKD协议的基础上，最终在南山地面站实现了单轨卫星对地面站量子密钥生成速率提高约40倍。研究团队还成功地将卫星与地面的安全成码距离从1200公里拓展到2000公里，其信道损耗相当于中高轨道卫星与地面之间的损耗，这为未来在中高轨卫星应用量子通信、实现覆盖全球的多横多纵量子保密通信网络奠定了基础。

目前，广域量子通信网络的雏形已基本形成，未来在此基础上，可进一步推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛应用。骨干网的扩展，将形成更复杂的拓扑结构，构建国家地基授时网络，为定位、导航和授时服务提供保障。另一方面，地面网络与量子卫星结合，为超大尺度量子干涉的相关实验提供了有利基础，如探索量子力学与广义相对论融合等问题，为量子引力的基础检验和用于计量应用的大规模干涉测量提供了可能。

这项工作得到了国家发改委、山东省、安徽省、上海市、中国银行业监督管理委员会、中国科学院、国家科技部和基金委的支持。 （胡 杨）