我国构建全球首个天地一体化量子通信网 闯出科创“无人区”

极客网·极客要闻1月11日 中国科学技术大学潘建伟团队与中国科学院上海技术物理研究所等单位合作,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,成功组建了世界上首个天地一体化的广域量子通信网络,该网络覆盖范围从北京到上海,并通过卫星连接到了乌鲁木齐。

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近日,这一成果有关论文在国际学术期刊Nature杂志上以“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”为题发表。论文中提到,这项工作表明量子技术成熟到了足以实用的地步,能够通过地面光纤及卫星将更多国家量子网络连接起来,进而实现全球量子网络。

量子通信是一种未来科技,是全世界都在争相研究的前沿与焦点领域。此次成果的取得,意味着在量子通信的领域,中国可以很骄傲地说,我们正处于世界领先的地位。

什么是量子通信网

量子通信的原理不难理解,它主要是通过量子密钥分发来确保通信的安全性。简单来说,量子密钥就是将一串二进制数字串加载到光子量子态上。当处于不同地区的两组用户希望进行通信时,他们会生成并安全共享一组量子密钥,通过这种方式对传输的信息进行加密和解密。

与传统的通信方式相比,量子通信有着极高的安全性。这是由量子不可克隆定理决定的。由于任何的量子态都无法被完美复制,所以所有的对量子观测、测量的过程都会对量子态造成破坏,继而产生较高的误码率。这意味着如果有人企图窃听或读取量子密钥都会被通信双方察觉,这也使得信息传输的安全性能够被保证。

按通信信道的不同,量子密钥分发主要分为光纤和自由空间两种实现方式。前一种实现方式具有较好的稳定性,不易受到温度、湿度、天气等环境因素影响。而后一种方式更适用于在超远距离、移动目标、岛屿和驻外机构等光纤资源受限的场景,具体是通过卫星中转的自由空间信道连接达成的。

通过两种方式的优势互补与结合,量子通信的范围得以向更大范围延伸,可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通信网络,也就是所谓的天地一体化量子通信网。

据了解,整个通信网络覆盖了北京、济南、合肥和上海四个量子城域网,由一条“京沪干线”连接起来,并有两个卫星地面站与“墨子号”卫星相连。其中,干线长2000公里,卫星地面站相距2600公里,这意味着网络内的用户可以实现最长达到4600公里的量子通信。 

量子通信技术的应用前景

关于量子通信技术未来的应用前景,潘建伟教授曾经提到,尽管量子通信是一个新兴领域,但它并不会取代我们目前现有的通信方式;相反,考虑到量子通信具有极为可靠的保密性,该技术将以一种新的途径来提高现有信息系统的安全性,实现无条件的保密通信,抵御黑客攻击,保护用户的信息安全。有了量子通信技术,国防、金融、政务、商业等多个领域的信息安全问题都能从根本上被解决。因此,量子通信技术被视为保障未来信息社会通信安全的重要基础技术,有着重大的应用价值和前景。

潘建伟教授曾举出了一些具体的例子来说明量子通信技术的重要性。他表示,“信息安全不仅对国家很重要,对个人来说也是非常重要的。比如每天银行的转款、银行的账户信息、密码都是不能泄露的;无人驾驶的时候,远程控制汽车系统要尽可能防止被黑客攻击,不然车辆行驶的安全就得不到保证。量子通信在原理上可以提供一种无条件安全通信的手段,可以在未来大幅度提升信息安全的水平。”

对抗量子攻击是量子通信网需要克服的一大难题。建成后,研发团队开展了长达两年多的研究,通过模拟光子数分离攻击、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来进行测试,对“京沪干线”的稳定性与安全性做出了验证。结果表明该干线可以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。

目前,星地量子通信网已经接入包括金融、电力、政务等多个行业的150多家用户。该网络有着极高的平均成码率,可达47.8千比特每秒,比2017年时借助“墨子号”卫星实现的1200千米距离内的量子通信的平均成码率高出四十余倍。

引领世界的量子通信技术

此次里程碑式的突破的背后,是中国量子科技领域科研人员长达十几年来不断的努力。“墨子号”量子科学实验卫星项目于2011年12月立项,京沪干线项目于2013年7月立项,在近十年的时间里,中国的量子通信从跟跑、并跑,再到领跑,最后步入科技“无人区”,成为引领者,这个过程离不开脚踏实地、勇于创新、不畏困难、不急功近利的科研工作者的持续付出。

我国在量子信息科技领域的一系列成果具有重要的国际影响力,对世界范围内量子科技的发展也有着强大的推动作用。目前,欧美等国也陆续加快推进量子通信基础设施建设工作。

2020年,美国提出要在未来5年展示实现量子网络的基础科学和关键技术;另一边,欧盟也表示希望在三年内实现全球范围的量子安全密钥分发,并用6-10年的时间使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通信。正如世界知名科学刊物评价的:“国际同行们正在努力追赶中国,中国现在显然是卫星量子通信的世界领导者”。

而关于我国量子科技的未来,潘建伟教授提到,量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。据中科大官方报道,接下来,潘建伟团队将与多国团队合作,进一步扩大在中国的网络,并致力于开发小型、经济高效的量子密钥分发卫星和地面接收器,以实现万公里级的量子密钥分发。

随着技术的不断进步与应用范围的持续扩大,在未来,量子通信技术还会有着更广泛的实际应用。


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