中国加速布局量子科技 构建全球首个星地量子通信网

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北京时间1月7日凌晨,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陈宇翱、彭承志等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及中国有线电视网络有限公司合作,在国际学术期刊《Nature》上发表了题为《跨越4,600公里的天地一体化量子通信网络》的论文。

1月7日,中国科研团队发表关于“天地一体化量子通信网络”的论文,引发关注。(中国科技大学官网)

这也是继中共中央政治局在2020年10月16日就“量子科技研究和应用前景”举行第24次集体学习,明确提出要保证对量子科技领域的资金投入;中国研制的量子计算机原型机“九章”于同年12月4日宣布面世,被称为中国“里程碑式的突破”后,中国在量子科技领域取得的又一重大成就。

量子力学是人类探究微观世界的重大成果,它构建了量子科技的基础,成为整个微观物理学的理论框架。近年来,量子科技发展突飞猛进,已成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。

从问世以来,量子科学已孕育出原子弹、激光、晶体管、核磁共振、硬盘、GPS等新技术,成为20世纪最重要的科学发现之一。当下,量子科技革命的第二次浪潮正扑面而来,在科学界看来,它将催生量子计算、量子通信和量子测量等一批新兴技术,极大地改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力。

其中的量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等。它利用量子态作为信息载体来进行信息交互的通信技术,利用单个光量子不可分割和量子不可克隆原理的性质,在原理上确保非授权方不能复制与窃取量子信道内传递的信息,以此保证信息传输安全。

较之传统通信方式,量子通信在确保信息安全,增大信息传输量,传输信息高效,抗干扰能力强等方面具有绝对优势,是迄今为止唯一通过数学方式被严格证明的绝对安全的通信方式,属信息安全传输的保护盾。

在细分领域中,保密通信是量子信息领域中率先进入实用化的技术方向。在实际应用中,量子通信目前整体尚处在试点应用阶段,而随着技术的升级和成本的降低,向商业领域拓展也只是时间的问题。1989年,美国与加拿大科学家实现了全球第一次量子通信,传输距离32厘米。

在中国,潘建伟教授领衔的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”,自2016年8月16日发射升空以来,就一直备受国际关注,《科学美国人》将其评选为2016年度改变世界的十大创新技术。2017年8月,“墨子号”完成量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大既定科学实验目标,在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发,也为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究,奠定了科学与技术基础。

同年9月29日,世界首条千公里级量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通,其总长超过2,000公里,覆盖中国四省三市共32个节点,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。利用“京沪干线”与“墨子号”的天地链路,北京和维也纳之间成功实现了人类历史上第一次洲际量子保密通信。

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自2017年“京沪干线”建成后,开展了两年多的相关技术验证和应用示范以及大量的稳定性测试、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、波长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”可抵御目前所有已知的量子黑客攻击方案,同时京沪干线网络的密钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。

当下,该天地一体化量子通信网络已接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户。2019年初,中国国家电网有限公司基于该网络,建立了跨越2,600公里、从北京总公司至国网新疆电力有限公司的量子密钥分发信道,实现了电力通信数据加密传输,首次从工程上检验了星地量子通信开展实际业务的可行性。

在天地一体化量子通信网络大量测试结果及标准化研究的基础上,全球三大标准化组织之一ISO/IEC正在基于京沪干线的实践,编制国际标准《QKD安全要求、测试与评估方法》,另一国际组织ITU也正基于京沪干线的建设模式起草可信中继安全要求、QKD网络功能架构等国际标准。

基于广域量子保密通信技术在实际应用中条件的初步成熟,潘建伟研究团队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4,600公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发,并进行了长达两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。此次在《Nature》上论文的发表即是“跨越4,600公里的天地一体化量子通信网络”研究成果的系统性总结。

在中国“墨子号”和“京沪干线”等一系列量子通信重要成果的助推下,欧美等国也竞相加大了研发力度和投入,从国家层面推进量子科技的战略计划,全球量子科技之争正风起云涌。

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