北京時間1月7日凌晨，中國科學技術(shù)大學潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)絡有限公司合作，在國際學術(shù)期刊《Nature》雜志上發(fā)表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡”（An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres）的論文。

研究團隊在量子保密通信京滬干線與“墨子號”量子衛(wèi)星成功對接的基礎上，構(gòu)建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)(QKD)鏈路和兩個衛(wèi)星對地自由空間高速Q(mào)KD鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)了地面跨度4600公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)，并進行了長達兩年多的穩(wěn)定性和安全性測試、標準化研究以及政務金融電力等不同領域的應用示范。

論文是對上述成果的一個系統(tǒng)性總結(jié)，證明了廣域量子保密通信技術(shù)在實際應用中的條件已初步成熟。我國科研人員通過構(gòu)建天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡的雛形，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡奠定了科學與技術(shù)基礎。

背景知識

按通信信道的不同，量子密鑰分發(fā)主要有光纖和自由空間兩種實現(xiàn)方式。

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，可以實現(xiàn)基本恒定的安全碼率，在城域城際范圍內(nèi)可以方便的連接到千家萬戶；

而在超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構(gòu)等光纖資源受限的場景，可以通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道連接。將地面光纖和自由空間結(jié)合，可以實現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡。

量子保密通信京滬干線總長超過2000公里，覆蓋四省三市共32個節(jié)點，是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，于2017年9月底正式開通。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)控等系列工程化實現(xiàn)的關鍵技術(shù)。

建成后，開展了長達兩年多的相關技術(shù)驗證和應用示范以及大量的穩(wěn)定性測試、安全性測試及相關標準化研究，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安全性測試，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。

“墨子號”量子衛(wèi)星于2016年8月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預定的全部科學目標。在該工作中，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。

研究團隊還成功地將衛(wèi)星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里，相應的地面站俯仰角跨度可達170°（幾乎可覆蓋整個天空）。

目前

該天地一體化量子通信網(wǎng)絡

已經(jīng)接入包括

金融、電力、政務等

150多家行業(yè)用戶

2019年初，國家電網(wǎng)有限公司基于該網(wǎng)絡，建立了跨越2600公里、從北京總公司至國網(wǎng)新疆電力有限公司的量子密鑰分發(fā)信道，實現(xiàn)了電力通信數(shù)據(jù)加密傳輸，首次從工程上檢驗了星地量子通信開展實際業(yè)務的可行性。

在天地一體化量子通信網(wǎng)絡大量測試結(jié)果及標準化研究的基礎上，全球三大標準化組織之一ISO/IEC正在基于京滬干線的實踐編制國際標準《QKD安全要求、測試與評估方法》，另一國際組織ITU也正基于京滬干線的建設模式起草可信中繼安全要求、QKD網(wǎng)絡功能架構(gòu)等國際標準。

本工作發(fā)展的相關技術(shù)也為量子通信系統(tǒng)小型化、低成本、國產(chǎn)化奠定了基礎。最近團隊成功研制了重量約百公斤的小型地面站，實現(xiàn)了與墨子號的星地量子密鑰分發(fā)實驗，和國際多個地面站的進行了星地量子密鑰分發(fā)實驗，未來有望進一步做到可單人搬運；同時，在保證密鑰分發(fā)速率的前提下已經(jīng)成功研制幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發(fā)載荷，這些成果也為形成衛(wèi)星量子通信國際技術(shù)標準奠定了基礎。

在我國“墨子號”和“京滬干線”等一系列量子通信重要成果的引領下，歐美等國也陸續(xù)加快推進量子通信基礎設施建設。

2020年，美國發(fā)布《量子網(wǎng)絡戰(zhàn)略愿景》和《量子互聯(lián)網(wǎng)國家戰(zhàn)略藍圖》，其中《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(shù)，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”。

目前，廣域量子通信網(wǎng)絡的雛形已基本形成，未來在此基礎上，可進一步推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域的廣泛應用。

骨干網(wǎng)的擴展，將形成更復雜的拓撲結(jié)構(gòu)，并在基礎上構(gòu)建國家地基授時網(wǎng)絡，為定位、導航和授時服務提供保障。另一方面，地面網(wǎng)絡與量子衛(wèi)星結(jié)合，為超大尺度量子干涉的相關實驗提供了有利基礎，如探索量子力學與廣義相對論融合等問題，為量子引力的基礎檢驗和用于計量應用的大規(guī)模干涉測量提供了可能。

這項工作得到了國家發(fā)改委、山東省、安徽省、上海市、中國銀行業(yè)監(jiān)督管理委員會、中國科學院、科技部和基金委的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8