我国构建全球首个星地量子通信网

          1月7日，中国科学技术大学宣布，中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发，标志着我国已成功构建出天地一体化广域量子通信网络。上图为天地一体化量子通信网络拓扑图 中国科学技术大学供图

阿里地面站望远镜 中国科学技术大学供图

星地纠缠分发示意图 中国科学技术大学供图  

          中国科学技术大学1月7日宣布，中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发，此举标志着我国已成功构建出天地一体化广域量子通信网络，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。 

          1月7日凌晨，中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、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《自然》杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”的论文，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。 

          据了解，此项成果经过两年多的稳定性和安全性测试后，才在《自然》杂志发表。《自然》杂志审稿人评价，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。       

          “京沪干线”对接“墨子号”打下坚实基础

          “我们希望能建立一个覆盖全国的多横多纵的量子通信网络。将来如果天上的高轨卫星和低轨卫星构成的星座能和地面上多横多纵的网络连在一起，就可以构建全球化的实用的就是广义量子通信网络。”中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟介绍。 

          在此之前，中国科研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）链路和两个卫星对地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络，实现了星地一体的大范围、多用户量子密钥分发。 

          “它覆盖的面积是从北京到上海，光纤总长2000多公里。”中国科学技术大学教授陈宇翱介绍，“我们通过卫星连到了乌鲁木齐，横跨2600多公里，所以我们才叫‘跨越4600公里的天地一体化量子通信网络’。” 

          据悉，整个网络覆盖我国四省三市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。 

          2016年8月，“墨子号”量子卫星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、应用更高效QKD协议的基础上，最终在南山地面站实现了卫星对地面站的高速量子密钥分发，生成速率比之前高出约40倍。研究团队还成功将卫星与地面的安全成码距离从1200公里拓展到2000公里，相应的地面站俯仰角跨度可达170°，几乎可覆盖整个天空，为未来在中高轨卫星应用量子通信、实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实基础。 

          2017年9月底，由中国科学技术大学作为项目主体建设的量子保密通信“京沪干线”正式开通，其总长超过2000公里，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。 

          “京沪干线”建成后，开展了长达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。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，网络的密钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。         

          牢固树立量子通信领域的国际领先地位 

          在我国“墨子号”和“京沪干线”等一系列量子通信重要成果的引领下，欧美等国也陆续加快推进量子通信基础设施建设。 

          2020年，美国发布《量子网络战略愿景》和《量子互联网国家战略蓝图》，其中《量子网络战略愿景》提出，“未来5年，美国将展示实现量子网络的基础科学和关键技术，从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道，以及洲际天基纠缠分发”。 

          欧盟发布量子旗舰计划《战略研究议程》，提出“3年愿景是利用QKD协议和具有可信中继节点的网络实现全球范围的安全密钥分发，6至10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通信”。 

          所谓量子密钥分发，主要有光纤和自由空间两种实现方式。光纤QKD技术的信道稳定性较好，不易受到温度、湿度、天气等环境因素影响，可以实现基本恒定的安全码率，在城域城际范围内可以方便地连接千家万户；而在超远距离、移动目标、岛屿和驻外机构等光纤资源受限的场景，可以通过卫星中转的自由空间信道连接。 

          量子通信提供了原理上无条件安全的通信方式，可以大幅提升现有信息系统的安全性。它的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接，是广域量子通信网络的发展路线。 

          潘建伟表示，量子通信具有明显的应用导向，从实验室走向实际应用，需要经历基础研究、关键技术研发、工程化集成与验证等阶段，然后才能实现规模化商业应用。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等，都是基于我国前期10余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目，稳步推进了量子通信的现实应用。

           “正是由于我国率先开展了规模适度的量子通信技术验证与应用示范，牢固树立了我国在量子通信领域的国际领先地位。”潘建伟说。       

           冲向更远的里程碑 

           1998年6月，在中国科学技术大学近代物理系的支持下，张永德教授和郭光灿教授牵头发起了我国第一次关于量子信息的香山会议，标志着我国的量子信息研究拉开序幕。 

           2001年，中国科学技术大学组建国内首个量子实验室。 将近20年后，该校潘建伟院士团队相继建立“量子计算优越性”里程碑、推动构建全球首个星地量子通信网。团队发展史，也是一部我国量子信息科技从落后到领跑的变迁史。

          “根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认量子计算有几个阶段性的里程碑。”陈宇翱告诉记者。

          第一个里程碑是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对玻色取样、组合优化等特定问题的计算能力超越传统超级计算机。2020年底，潘建伟院士团队实现了76个光子的量子计算原型机“九章”。根据现有最优的经典算法，“九章”处理更为复杂的“高斯玻色取样”问题的速度，比目前最快的超级计算机“富岳”快100万亿倍，等效速度比谷歌的量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍。这一成果使得我国成功达到了“量子计算优越性”里程碑。 

          第二个里程碑是实现真正“有用”的专用量子模拟机，能够解决一些经典计算机难以求解的有重大应用价值的问题。近年来，潘建伟团队在超冷原子量子模拟方向上不断取得突出成果，包括首次实现二维自旋-轨道耦合的人工制备、首次实现71个格点的量子模拟器并准确模拟了一维格点体系的Schwinger模型、首次观测到超低温度下基态分子与原子之间的散射共振等。这些工作为实现规模化的超冷原子量子计算与模拟奠定了基础。 

          量子计算的终极梦想则是第三个里程碑：实现可编程的通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，同时将量子比特的操纵精度提高到超越容错阈值（>99.9%），能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于技术上的巨大挑战，何时实现通用量子计算机尚不明确，学术界一般认为还需要15年至20年甚至更长的时间。

          “我们非常有幸推动了我国量子计算研究牢固确立了国际第一方阵的地位。”潘建伟说，他也始终坚信，“在国内一定拥有比国外更广阔的事业发展空间”，将继续带领团队冲向更远的里程碑，争取形成更大的优势。