潘建伟团队再发Nature,首次展现完整天地一体化广域量子通信网络

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· 1月12日

1 月 6 日,潘建伟团队及其合作者又在量子通信方面推出了重磅成果,他们首次展现了一个完整的天地一体化量子通信网络,综合通信链路距离长达 4600 公里。相关论文以“An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres”为题,在线发表在顶级科学期刊 Nature 上。

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潘建伟团队再发Nature,首次展现完整天地一体化广域量子通信网络

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图片来源@视觉中国

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文 | 学术头条

又是一个里程碑事件。

2020 年 12 月,由中国科学技术大学潘建伟团队研发的“九章”量子计算原型机实现“量子计算优越性”,一度引发了业界的广泛关注。据了解,“九章”在求解 5000 万个样本的高斯玻色取样问题时只需要 200 秒,而目前世界排名第一的超级计算机“富岳”需要依然 6 亿年,“九章”等效地比谷歌的量子计算机“悬铃木”还快 100 亿倍。

1 月 6 日,潘建伟团队及其合作者又在量子通信方面推出了重磅成果,他们首次展现了一个完整的天地一体化量子通信网络,综合通信链路距离长达 4600 公里。相关论文以“An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres”为题,在线发表在顶级科学期刊 Nature 上。

来源:Nature

来源:Nature

这项成果中展示的量子通信网络由 700 多个光纤量子密钥分发(QKD)链路和 2 个高速“卫星-地面”自由空间 QKD 链路组成。地面光纤网络采用可信中继结构,覆盖 2000 多公里,卫星对地面 QKD 的平均密钥传输速率达到每秒 47.8 kb,比之前提高了 40 倍以上,其信道损耗可与对地静止卫星和地面之间的信道损耗相比,从而使通过地球同步卫星构建更通用和超长的量子链路成为可能。

图|量子通信卫星与地面站实验示意图(来源:中国科学技术大学)

图|量子通信卫星与地面站实验示意图(来源:中国科学技术大学)

研究人员通过集成光纤和自由空间 QKD 链路,QKD 网络扩展到了 2600 公里以外的远程节点,使网络中的任何用户都可以与其他任何用户进行通信。

量子通信是什么高科技?

简单来说,利用了量子纠缠的物理特性。在量子力学里,几个粒子在彼此相互作用后会综合形成整体性质,科学家们无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,原理上,无论相距多远,一对纠缠量子只要其中一粒状态产生变化,另外一粒也会立即出现相应的转变,爱因斯坦曾将这种现象称为“鬼魅般的超距作用”。

而且,由于任何外界的探测都会改变量子纠缠的形态,因而量子通信一旦被窃听,双方都会迅速察觉并放弃通信。因此,科学家们基于量子纠缠的原理,可以利用量子密钥分发(QKD)向通信双方发送量子纠缠态的光子,在多个通信节点间搭建安全通信的网络,对传统的多媒体数据进行加密、解密传输。

近年来,基于可信中继的量子网络在当今的技术条件下被验证是可行的,并且有一个广泛接受的实落地路径:通过光纤的城内城域网、使用主干网的城际连接和通过卫星的超长距离通信。

但是,构建一个大规模的能实际应用的量子广域网需要克服一些挑战,因为这不仅是一个科学问题,也是一个工程问题。一个实用的量子通信广域网应该具备以下条件:

与连接大规模区域内分布式用户的各种拓扑结构兼容;

解决基本的网络结构和管理方法;

使用适应方便扩展的标准QKD设备;

保持已知的和潜在的安全性;

保持长期的安全性和稳定性。

图|集成的天地一体化量子通信网络图解(来源:Nature)

图|集成的天地一体化量子通信网络图解(来源:Nature)

如今,潘建伟团队在这方面取得了实质性进展。如上图,该网络线路部署了四个关键的队列管理器(QMAN,红色箭头),分别坐落在北京、济南、合肥和上海,由一条超过 2000 公里的主干光纤链路和两条连接兴隆和南山的地-星链路(相隔 2600 公里)相连接,在地面上,光纤网络已服务于 150 多个用户。

主干光纤链路由可信的中继连接(主图像中黄色圆圈),每个 QMAN 由所有三种节点类型组成,网络中有三种类型的节点:用户节点(紫色圆圈)、全通光开关(绿色圆圈)和可信中继(粉色圆圈)。

一颗量子卫星连接到兴隆和南山的地面站,兴隆通过光纤连接到北京 QMAN,在北京,北京控制中心节点与主干连接节点位于同一位置。远在南山的远程用户可以与主干网中的任何节点执行 QKD,而不需要额外的地面站或光纤链路。

图|兴隆地面站的光学系统(a)硬件设备\(b)扩束器\(c)BB84模块(来源:Nature)

图|兴隆地面站的光学系统(a)硬件设备\(b)扩束器\(c)BB84模块(来源:Nature)


图|地面硬件设施:(a) 南山地面站的1.2米望远镜;(b) 兴隆地面站的1米望远镜(来源:Nature)

图|地面硬件设施:(a) 南山地面站的1.2米望远镜;(b) 兴隆地面站的1米望远镜(来源:Nature)

在量子通信的网络架构和管理方面,主要由应用层、经典逻辑层、经典物理层、量子逻辑层和量子物理层 5 层组成。

图|一次量子加密通信的流程(来源:Nature)

图|一次量子加密通信的流程(来源:Nature)

论文中举了个典型的例子,从北京到上海的量子安全通信传输大概分几步?如上图所示,可能包含 10 个环节。

消息传输命令从北京的用户发送到计算机(1),计算机将命令发送到密钥管理系统以请求密钥(2),并发送给路由器以找到用于经典信息传输的经典路由(3)。

密钥管理系统会检查密钥是否足够,如果是,它将密钥发送到计算机(4);否则,它将向量子系统服务器发送命令以生成更多密钥(5)。

量子系统服务器将命令发送到量子控制系统(6),该系统会找到最佳密钥生成路径并发送命令以生成密钥(7),密钥在量子物理层中生成并存储在密钥管理系统中(8),在使用密钥对消息进行编码或解码之后(9),信息可以安全地传输给上海的用户(10)。

同时,团队还开发了不同类型的拓扑结构来研究和处理各种参数,例如成本、安全性和性能等。

城域网、主干线和高速星-地 QKD

对于北京、济南、上海和合肥四个关键城域网,研究人员采用了不同类型的网络拓扑结构。

以北京城域网为例,核心是一个由 12 个可信节点组成的环路网络,这样的拓扑结构设计能有效避免避免单个节点的故障或拒绝服务,控制中心节点是 12 个环网节点之一,对整个网络起控制作用。

大多数终端用户能连接到可信节点,所有的终端用户都能与邻近的可信节点共享一个量子密钥,通过可信节点,他们可以进一步与网络中的每个人共享信息。不过考虑到降低成本的问题,多数终端用户只配备了 QKD 发射器,没有单光子探测器,因为单光子探测器是 QKD 系统中最昂贵的部分。

此外,为了延展更多的用户,研究人员还提供了一种“全通光开关”,该开关最多可连接 16 个用户,有助于在任何两个连接的用户之间直接生成量子密钥。于是,北京城域网总共有了 12 个受信任节点用户和 19 个终端延展用户。

合肥、济南和上海城域网设计与北京的类似。目前,济南城域网拥有的用户节点最多,该网络于 2011 年 11 月至 2013 年 11 月建成,包括 3 个可信中继节点,3 个全通光开关,50 个用户节点,95 个用户和 437 条 QKD 链路。

图|关于该量子通信网络中的一些关键参数(来源:Nature)

图|关于该量子通信网络中的一些关键参数(来源:Nature)

主干线是一个线路拓扑,由 32 个受信任的中继节点和 31 条链路组成。北京、济南、上海和合肥城域网、主干网和兴隆地面站网络的平均密钥速率分别为 12.9kbps、26.3kbps、19.7kbps、11.2kbps、79.3kbps 和 19.6kbps。研究人员还在探索使用多对 QKD 系统来提高主干线上的安全密钥率。

图|主干网中继节点的硬件设置(来源:Nature)

图|主干网中继节点的硬件设置(来源:Nature)

关于高速星-地量子密钥分发,主要靠位于兴隆和南山的两个地面站,他们之间相距约为 2600 公里,中间的通信靠中国的“墨子号”量子科学实验卫星(Micius)。

“墨子号”卫星上安装了基于 BB84 协议的空间合格 QKD 发射机。BB84 协议是世界上第一个量子密码协议,是由量子物理学家查尔斯·贝内特(Charles Bennett)和吉尔·布拉萨德(Gilles Brassard)于 1984 年联合开发的一种量子密钥分配方案。

图|高速星-地 QKD 的性能(来源:Nature)

图|高速星-地 QKD 的性能(来源:Nature)

据论文描述,研究人员改进了入射光束和地面采集系统之间的光学空间模式匹配。与先前的实验相比,增强后的地面站的接收效率提高了 3 倍。同时,他们使用了新的 5nm 光谱滤光片代替 10nm 滤光片,以进一步抑制背景噪声。

“墨子号”卫星沿太阳同步轨道运转,高度约 500 公里,并于当地时间 00 时左右通过南山地面站时,研究人员进行了量子密钥分配实验,获得了持续时间(364s)的实验数据。在轨道中心点附近达到最高的筛选密钥速率为 462kbps。经过高效的 BB84 后处理程序,提取出最终的安全密钥。

论文中提到,目前,研究人员可以获得每周大约 36Mbit 的总密钥大小,通过“墨子号”一颗卫星生成的密钥可支持大约 6000 个用户。密钥速率受到卫星通过时间的限制。团队展望,在未来如果能形成多颗量子通信卫星组网,则可以大幅度提升网络性能。

图|不同链路之间的稳定性监测数据(来源:Nature)

图|不同链路之间的稳定性监测数据(来源:Nature)

为了展现量子通信网络的稳定性和可靠性,潘建伟团队还绘制了 2017 年一年内主干网四大城域网之间的平均密钥率变化,系统趋于稳定,最小密钥速率一般大于 20kbps;以及 2017 年 12 月内,每两个相邻节点之间的平均密钥速率,所有 31 条主干链路的密钥速率都远高于 28kbps,最大密钥速率达到 235.4kbps。

团队在论文总结中表示,量子通信技术在实际应用中已趋于成熟。随着主干线的延伸,将形成更复杂的拓扑结构(包括完整的城域网环路),从而实现安全的时频传输、量子引力的基本测试和用于计量应用的大规模互易测量等可能性。

量子加密通信网络雏形已现

当然,如今的成果并非一蹴而就,背后直接相关的工作已经跨越了近 10 个年头。

这项论文中提到的“墨子号”量子科学实验卫星,于 2011 年 12 月立项,2016 年 8 月发射入轨。该卫星上主要有 5 个有效载荷,包括量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理系统、高速相干激光通信机等;2017 年 6 月 16 日,墨子号在实验中实现两个量子纠缠光子被分发到相距超过 1200 公里的距离后,仍可继续保持其量子纠缠的状态。

而那条全长 2000 余公里的主干线,在国内也被称作“京沪干线”,是中国首条量子保密通信干线,于 2013 年 7 月立项,2016 年 11 月建成,2017 年 8 月底完成了全网技术验收,并在 2017 年 9 月 29 日正式开通,位于京沪干线上的金融、政务等机构可利用这一广域光纤量子通信网络进行加密通信。

卫星之外,关键的地面设施是安徽合肥的量子科学实验中心,以及四个量子通信地面站(分别位于河北兴隆、新疆乌鲁木齐南山、青海德令哈、云南丽江),以及位于西藏阿里的量子隐形传态实验站。此外,在欧洲,奥地利科学院和维也纳大学的科学家也与中国方面合作,在维也纳和格拉茨也部署了量子通信站点。

2018 年 1 月,在中国和奥地利之间首次实现距离达 7600 公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。

那么,量子通信网是否会取代现有的通信网络?答案是,目的并非如此。日前,潘建伟在接受《科技日报》的采访中曾表示,量子加密通信并不是要颠覆或者取代现有的通信方式,反而是可以大幅提升现有系统的安全性。

放眼国际,从 1992 年首个量子密钥分发实验成功以来,包括美国、中国、俄罗斯、日本以及欧洲多国在内的科研机构都在致力于量子通信网的研发和建设,量子加密通信技术逐渐成为大国未来科技竞逐的高地之一。

如今,基于卫星中继的全球化量子通信网雏形已现。下一步,随着覆盖范围扩大、相关核心器件和技术的迭代,以及相关应用标准和规范制定,量子通信时代或将迈上一个新台阶。关于量子通信的未来,你期待吗?

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