中國科學(xué)家利用量子保密通信“京滬干線”和“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，成功組建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)鏈路和兩條衛(wèi)星對地自由空間高速量子密鑰分發(fā)鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)地面跨度4600公里、天地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)，證明廣域量子通信技術(shù)實際應(yīng)用已經(jīng)初步成熟，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定堅實的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。該成果1月7日發(fā)表于《自然》。

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現(xiàn)方式。光纖量子密鑰分發(fā)技術(shù)的信道穩(wěn)定性較好，不易受溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，但由于光纖固有衰減特性，光纖量子密鑰分發(fā)傳輸距離限制在百公里量級。

自由空間量子密鑰分發(fā)以大氣層和外太空的自由空間為傳輸介質(zhì)，光子在自由空間中具有低損耗特性，這使得基于衛(wèi)星平臺的千公里以上量級量子密鑰分發(fā)成為可能。

“京滬干線”于2017年8月底完成驗收，總長超過2000公里，是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(fā)干線，目前已經(jīng)接入金融、電力、政務(wù)等150余家行業(yè)用戶。

研究團隊攻克了高速量子密鑰分發(fā)、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)。

安全性測試結(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，密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。

“墨子號”于2016年8月成功發(fā)射，已經(jīng)圓滿實現(xiàn)預(yù)定的全部三大科學(xué)目標。

“墨子號”與河北興隆地面站建立了光鏈路，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數(shù)量級。

最近，研究團隊在南山地面站實現(xiàn)單軌衛(wèi)星對地面站量子密鑰生成速率達每秒47.8kb，比之前工作高約40倍。

此外，還將衛(wèi)星與地面的安全成碼距離從1200公里延長到2000公里，地面站俯仰角跨度幾乎可以覆蓋整個天空，其信道損耗與中高軌道衛(wèi)星與地面之間的損耗相當，為未來在中高軌衛(wèi)星應(yīng)用量子通信打下實驗基礎(chǔ)。

2019年，國家電網(wǎng)有限公司基于“墨子號”建立從北京至新疆跨越2600公里的量子密鑰分發(fā)信道，實現(xiàn)了電力通信數(shù)據(jù)加密傳輸，首次從工程上檢驗了星地量子通信開展實際業(yè)務(wù)的可行性。

這一成果由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究團隊、濟南量子技術(shù)研究院研究人員及中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作完成。

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