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2021年01月08日
【经济日报客户端】再登《自然》:跨越4600公里的天地一体化量子通信网络

新年伊始,中国科学技术大学教授潘建伟再次登上了《自然》杂志。此时,距离他上一次见诸国际顶级学术期刊——《科学》,刚刚过去一个多月。这一次,潘建伟和其同事陈宇翱、彭承志等,以及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等,对其过去一直研究的量子保密通信作了一次系统性总结。相关论文以“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”为题,北京时间1月7日凌晨发表于《自然》杂志。

根据中国科学技术大学官网,该论文证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。

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量子保密通信,简单说,就是利用量子力学的某些特性,先发送、后产生一组完全随机的量子态的密钥(简称量子密钥),供通信双方加密和解密时使用。根据量子力学的基本原理,整个通信过程不可窃听,产生的量子密钥不可破解,在理论上是无条件安全的。

按通信信道的不同,量子密钥分发有两种实现方式:一种是光纤,一种是自由空间。其中,光纤信道稳定性较好,不易受到温度、湿度、天气等环境因素影响,在城域、城际范围内可以方便的连接到千家万户。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,则可以通过卫星中转的自由空间信道实现量子密钥的分发。而将地面光纤和自由空间结合,就可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通信网络。

向着无条件安全的通信目标努力奔跑,2017年9月底,总长超过2000公里、覆盖四省三市共32个节点的量子保密通信京沪干线正式开通。这是目前世界上最远距离的基于光纤信道的量子安全密钥分发干线。建成后,长达两年多的相关技术验证和应用示范以及大量的测试便陆续展开。通过连续不断的光子数分离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”网络的量子密钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。

而“坚持两条腿走路”,早在2016年8月,“墨子号”量子卫星已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:在南山地面站实现卫星对地面站的高速量子密钥分发,在这个自由空间信道中,生成量子密钥的速率比之前高出约40倍。2017年,借助“墨子号”卫星又成功向河北兴隆地面站分发了量子密钥,最远距离达到1200千米。

如今基于“墨子号”的天地一体化量子通信网络已经接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户。2019年初,国家电网有限公司基于该网络,建立了跨越2600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。

至此,一个实用型的大规模量子通信网络渐渐浮出水面:量子保密通信京沪干线全长2000余公里,兴隆、南山两个地面站相距2600公里。两者相结合,网络内任意一个用户可以实现最长达到4600公里的量子保密通信。

论文提出,“量子保密通信京沪干线的扩展,将形成更复杂的拓扑结构,并在基础上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。(经济日报记者 沈慧)

经济日报客户端2021年1月8日

https://proapi.jingjiribao.cn/detail.html?id=321072

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