北京時(shí)間1月7日凌晨，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國(guó)有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature雜志上發(fā)表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”(An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres)的論文。

研究團(tuán)隊(duì)在量子保密通信京滬干線與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星成功對(duì)接的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了世界上首個(gè)集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)(QKD)鏈路和兩個(gè)星地自由空間高速Q(mào)KD鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了地面跨度4600公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)，并進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)化研究以及政務(wù)金融電力等不同領(lǐng)域的應(yīng)用示范。論文是對(duì)上述成果的一個(gè)系統(tǒng)性總結(jié)，證明了廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的條件已初步成熟。我國(guó)科研人員通過(guò)構(gòu)建天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

按通信信道的不同，量子密鑰分發(fā)主要有光纖和自由空間兩種實(shí)現(xiàn)方式。光纖QKD技術(shù)的信道穩(wěn)定性較好，不易受到溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，可以實(shí)現(xiàn)基本恒定的安全碼率，在城域城際范圍內(nèi)可以方便的連接到千家萬(wàn)戶，而在超遠(yuǎn)距離、移動(dòng)目標(biāo)、島嶼和駐外機(jī)構(gòu)等光纖資源受限的場(chǎng)景，可以通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道連接。將地面光纖和自由空間結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)。

量子保密通信京滬干線總長(zhǎng)超過(guò)2000公里，覆蓋四省三市共32個(gè)節(jié)點(diǎn)，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，于2017年9月底正式開(kāi)通。建設(shè)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)攻關(guān)了高速量子密鑰分發(fā)、高速高效率單光子探測(cè)、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控監(jiān)控等系列工程化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。建成后，開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)兩年多的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用示范以及大量的穩(wěn)定性測(cè)試、安全性測(cè)試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究，通過(guò)了光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時(shí)移攻擊、波長(zhǎng)依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測(cè)試，結(jié)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，同時(shí)京滬干線網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬(wàn)以上用戶同時(shí)使用。

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星于2016年8月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)在優(yōu)化地面站接收光學(xué)系統(tǒng)、提高QKD發(fā)射系統(tǒng)時(shí)鐘頻率并應(yīng)用更高效QKD協(xié)議的基礎(chǔ)上，最終在南山地面站實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星對(duì)地面站的高速量子密鑰分發(fā)，生成速率比之前的工作高出約40倍。研究團(tuán)隊(duì)還成功地將衛(wèi)星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里，相應(yīng)的地面站俯仰角跨度可達(dá)170°(幾乎可覆蓋整個(gè)天空)。

目前該天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)接入包括金融、電力、政務(wù)等150多家行業(yè)用戶。2019年初，國(guó)家電網(wǎng)有限公司基于該網(wǎng)絡(luò)，建立了跨越2600公里、從北京總公司至國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司的量子密鑰分發(fā)信道，實(shí)現(xiàn)了電力通信數(shù)據(jù)加密傳輸，首次從工程上檢驗(yàn)了星地量子通信開(kāi)展實(shí)際業(yè)務(wù)的可行性。在天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)大量測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化研究的基礎(chǔ)上，全球三大標(biāo)準(zhǔn)化組織之一ISO/IEC正在基于京滬干線的實(shí)踐編制國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《QKD安全要求、測(cè)試與評(píng)估方法》，另一國(guó)際組織ITU也正基于京滬干線的建設(shè)模式起草可信中繼安全要求、QKD網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

本工作發(fā)展的相關(guān)技術(shù)也為量子通信系統(tǒng)小型化、低成本、國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。最近團(tuán)隊(duì)成功研制了重量約百公斤的小型地面站，實(shí)現(xiàn)了與墨子號(hào)的星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，和國(guó)際多個(gè)地面站的進(jìn)行了星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，未來(lái)有望進(jìn)一步做到可單人搬運(yùn);同時(shí)，在保證密鑰分發(fā)速率的前提下已經(jīng)成功研制幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發(fā)載荷，這些成果也為形成衛(wèi)星量子通信國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

在我國(guó)“墨子號(hào)”和“京滬干線”等一系列量子通信重要成果的引領(lǐng)下，歐美等國(guó)也陸續(xù)加快推進(jìn)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。2020年美國(guó)發(fā)布《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》和《量子互聯(lián)網(wǎng)國(guó)家戰(zhàn)略藍(lán)圖》，其中《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》提出，“未來(lái)5年，美國(guó)將展示實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)”;歐盟發(fā)布量子旗艦計(jì)劃《戰(zhàn)略研究議程》，提出“3年愿景是利用QKD協(xié)議和具有可信中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球范圍的安全密鑰分發(fā)，6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通信”。

目前，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形已基本形成，未來(lái)在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。骨干網(wǎng)的擴(kuò)展，將形成更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在基礎(chǔ)上構(gòu)建國(guó)家地基授時(shí)網(wǎng)絡(luò)，為定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)提供保障。另一方面，地面網(wǎng)絡(luò)與量子衛(wèi)星結(jié)合，為超大尺度量子干涉的相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了有利基礎(chǔ)，如探索量子力學(xué)與廣義相對(duì)論融合等問(wèn)題，為量子引力的基礎(chǔ)檢驗(yàn)和用于計(jì)量應(yīng)用的大規(guī)模干涉測(cè)量提供了可能。

這項(xiàng)工作得到了國(guó)家發(fā)改委、山東省、安徽省、上海市、中國(guó)銀行業(yè)監(jiān)督管理委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、科技部和基金委的支持。