中國科學技術大學1月7日宣布，中國科研團隊成功實現了跨越4600公里的星地量子密鑰分發，此舉標志著我國已成功構建出天地一體化廣域量子通信網絡，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。
1月7日凌晨，中國科學技術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物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作，在國際學術期刊《自然》雜志上發表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡”的論文，證明了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。
據了解，此項成果經過兩年多的穩定性和安全性測試后，才在《自然》雜志發表。《自然》雜志審稿人評價，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發網絡，是量子通信“巨大的工程性成就”。
“京滬干線”對接“墨子號”打下堅實基礎
“我們希望能建立一個覆蓋全國的多橫多縱的量子通信網絡。將來如果天上的高軌衛星和低軌衛星構成的星座能和地面上多橫多縱的網絡連在一起，就可以構建全球化的實用的就是廣義量子通信網絡。”中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉介紹。
在此之前，中國科研團隊在量子保密通信“京滬干線”與“墨子號”量子衛星成功對接的基礎上，構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發（QKD）鏈路和兩個衛星對地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通信網絡，實現了星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發。
“它覆蓋的面積是從北京到上海，光纖總長2000多公里。”中國科學技術大學教授陳宇翱介紹，“我們通過衛星連到了烏魯木齊，橫跨2600多公里，所以我們才叫‘跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡’。”
據悉，整個網絡覆蓋我國四省三市32個節點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網，通過兩個衛星地面站與“墨子號”相連，目前已接入金融、電力、政務等行業的150多家用戶。
2016年8月，“墨子號”量子衛星在酒泉衛星發射中心成功發射，圓滿完成了預定的全部科學目標。在該工作中，研究團隊在優化地面站接收光學系統、提高QKD發射系統時鐘頻率、應用更高效QKD協議的基礎上，最終在南山地面站實現了衛星對地面站的高速量子密鑰分發，生成速率比之前高出約40倍。研究團隊還成功將衛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，為未來在中高軌衛星應用量子通信、實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了堅實基礎。
2017年9月底，由中國科學技術大學作為項目主體建設的量子保密通信“京滬干線”正式開通，其總長超過2000公里，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干線。
“京滬干線”建成后，開展了長達兩年多的相關技術驗證和應用示范以及大量的穩定性測試、安全性測試及相關標準化研究。結果表明，“京滬干線”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案，網絡的密鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。
牢固樹立量子通信領域的國際領先地位
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，歐美等國也陸續加快推進量子通信基礎設施建設。
2020年，美國發布《量子網絡戰略愿景》和《量子互聯網國家戰略藍圖》，其中《量子網絡戰略愿景》提出，“未來5年，美國將展示實現量子網絡的基礎科學和關鍵技術，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”。
歐盟發布量子旗艦計劃《戰略研究議程》，提出“3年愿景是利用QKD協議和具有可信中繼節點的網絡實現全球范圍的安全密鑰分發，6至10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實現800公里以上的量子通信”。
所謂量子密鑰分發，主要有光纖和自由空間兩種實現方式。光纖QKD技術的信道穩定性較好，不易受到溫度、濕度、天氣等環境因素影響，可以實現基本恒定的安全碼率，在城域城際范圍內可以方便地連接千家萬戶；而在超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構等光纖資源受限的場景，可以通過衛星中轉的自由空間信道連接。
量子通信提供了原理上無條件安全的通信方式，可以大幅提升現有信息系統的安全性。它的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡、通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星平臺的中轉實現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網絡的發展路線。
潘建偉表示，量子通信具有明顯的應用導向，從實驗室走向實際應用，需要經歷基礎研究、關鍵技術研發、工程化集成與驗證等階段，然后才能實現規模化商業應用。“京滬干線”和“墨子號”量子衛星等，都是基于我國前期10余年的基礎和應用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目，穩步推進了量子通信的現實應用。
“正是由于我國率先開展了規模適度的量子通信技術驗證與應用示范，牢固樹立了我國在量子通信領域的國際領先地位。”潘建偉說。
沖向更遠的里程碑
1998年6月，在中國科學技術大學近代物理系的支持下，張永德教授和郭光燦教授牽頭發起了我國第一次關于量子信息的香山會議，標志著我國的量子信息研究拉開序幕。
2001年，中國科學技術大學組建國內首個量子實驗室。
將近20年后，該校潘建偉院士團隊相繼建立“量子計算優越性”里程碑、推動構建全球首個星地量子通信網。團隊發展史，也是一部我國量子信息科技從落后到領跑的變遷史。
“根據相干操縱量子比特的規模，國際學術界公認量子計算有幾個階段性的里程碑。”陳宇翱告訴記者。
第一個里程碑是實現“量子計算優越性”，即量子計算機對玻色取樣、組合優化等特定問題的計算能力超越傳統超級計算機。2020年底，潘建偉院士團隊實現了76個光子的量子計算原型機“九章”。根據現有最優的經典算法，“九章”處理更為復雜的“高斯玻色取樣”問題的速度，比目前最快的超級計算機“富岳”快100萬億倍，等效速度比谷歌的量子計算原型機“懸鈴木”快100億倍。這一成果使得我國成功達到了“量子計算優越性”里程碑。
第二個里程碑是實現真正“有用”的專用量子模擬機，能夠解決一些經典計算機難以求解的有重大應用價值的問題。近年來，潘建偉團隊在超冷原子量子模擬方向上不斷取得突出成果，包括首次實現二維自旋-軌道耦合的人工制備、首次實現71個格點的量子模擬器并準確模擬了一維格點體系的Schwinger模型、首次觀測到超低溫度下基態分子與原子之間的散射共振等。這些工作為實現規模化的超冷原子量子計算與模擬奠定了基礎。
量子計算的終極夢想則是第三個里程碑：實現可編程的通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬個量子比特，同時將量子比特的操縱精度提高到超越容錯閾值（>99.9%），能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。由于技術上的巨大挑戰，何時實現通用量子計算機尚不明確，學術界一般認為還需要15年至20年甚至更長的時間。
“我們非常有幸推動了我國量子計算研究牢固確立了國際第一方陣的地位。”潘建偉說，他也始終堅信，“在國內一定擁有比國外更廣闊的事業發展空間”，將繼續帶領團隊沖向更遠的里程碑，爭取形成更大的優勢。（記者 常河 丁一鳴）
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