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潘建偉研究團隊構建全球首個星地量子通信網(wǎng)絡

lhl545545 ? 來源:雷鋒網(wǎng) ? 作者:付靜 ? 2021-01-08 10:07 ? 次閱讀
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2020年12月4日,中國科學技術大學宣布,由潘建偉領銜的研究團隊構建了76個光子100個模式的量子計算原型機“九章”。這一成果,使我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優(yōu)越性。

僅一個月后,潘建偉等人再創(chuàng)突破,構建了全球首個星地量子通信網(wǎng)絡!

今日凌晨,中國科學技術大學宣布:

潘建偉等人構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)(QKD)鏈路和兩個衛(wèi)星對地自由空間高速Q(mào)KD鏈路的廣域量子通信網(wǎng)絡,實現(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)。

至此,我國已構建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。

“只有聾子才破解不了”

2020年1月6日,研究團隊的論文發(fā)表于國際知名學術期刊Nature,題為Anintegratedspace-to-groundquantumcommunicationnetworkover4,600kilometres(跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡)。

對于這項研究,Nature審稿人表示:

這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡,也是量子通信領域的巨大工程性成就。

Nature信息顯示,該論文作者來自于中國科學技術大學物理學院近代物理系、合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室、中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中國有線電視網(wǎng)絡有限公司、濟南量子技術研究院、中國科學院上海技術物理研究所空間主動光電技術重點實驗室,潘建偉教授則是通訊作者之一。

在密碼學中,密鑰(key)能夠完成秘密信息的加密、解密、完整性驗證。實際上,自人類使用語言以來,通過密鑰給信息加密的技術就在不斷發(fā)展。

1984年,物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基于量子力學測量原理的世界首個量子密鑰分發(fā)協(xié)議(BB84協(xié)議),旨在增加安全通信距離、提高安全性。依據(jù)該協(xié)議提出的量子密鑰分發(fā)(QKD,即quantumkeydistribution)可以為分隔兩地的用戶提供無條件的安全共享密鑰,在根本上保證了密鑰的安全性。

早在上世紀90年代,一篇來自IBM、加拿大蒙特利爾大學、加州大學洛杉磯分校聯(lián)合發(fā)表的論文就介紹了一種實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)(QKD)的設備和協(xié)議。

概括來講,這一設備和協(xié)議的作用是:兩個一開始不共享秘密信息的用戶,交換由非常微弱的偏振光反射組成的隨機量子傳輸,隨后公開討論傳輸?shù)陌l(fā)送和接收版本,估計被人竊聽的可能性,如果可能性足夠小,即可在發(fā)送和接收版本中提取隨機的共享信息。

這一整個過程依賴的便是量子物理學中的不確定性原理,它可以抵御任何有著無限計算能力的第三方。

實際上這便是世界首個QKD實驗的過程,線路僅32厘米。無疑,這是量子加密通信的一個標志性事件,但限于當時的技術,人們對它的一個調(diào)侃是“只有聾子才破解不了”。

全球首個星地量子通信網(wǎng)絡

不過,從最初不被理解到后來驚艷世人,正是科學的一大魅力所在。

近年來,量子加密通信快速發(fā)展,在我國,潘建偉教授的名字可以說已經(jīng)是和這一領域“強綁定”了,其團隊做出的突破比如:

2016年8月16日凌晨1時40分,酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心,長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。由此,我國成為世界首個實現(xiàn)太空和地面之間量子通信的國家,我國天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系同時也建成了。

2017年9月29日,中國科學院宣布世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開通。此后,連接北京、上海,貫穿濟南和合肥全長2000多公里的量子通信骨干網(wǎng)絡,將推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域的大規(guī)模應用。

2020年2月發(fā)表論文顯示,已突破遠距離獨立激光相位干涉技術,實現(xiàn)500公里量級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā),再次刷新了量子密鑰分發(fā)傳輸距離的世界紀錄。

2020年6月發(fā)表論文顯示,已實現(xiàn)1120公里無中繼糾纏量子密鑰分發(fā),即國際上首次實現(xiàn)基于糾纏的千公里級量子密鑰分發(fā)。

中國在這一領域的研究進展世界有目共睹,但正如論文指出的那樣:

一個全球性的QKD網(wǎng)絡,應該是一個實際的(不僅是理論上的)安全可靠的QKD網(wǎng)絡,可被散布于世界各地的用戶使用。原則上,量子中繼器可為這樣的全球網(wǎng)絡提供可行方案,但目前的技術水平還不足以部署這樣的網(wǎng)絡。

據(jù)中國科學技術大學介紹,按通信信道劃分,量子密鑰分發(fā)主要分為兩種——地面光纖(信道穩(wěn)定性更加,不易受環(huán)境因素影響,更適合城際短距離場景)和自由空間(主要由衛(wèi)星中轉(zhuǎn),適合距離較遠、目標移動等光纖資源受限的情形)。

因此:

將地面光纖和自由空間結合,可以實現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡。

研究團隊的做法是將「墨子號」與「京滬干線」結合,集成了700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)鏈路和2個衛(wèi)星對地自由空間高速Q(mào)KD鏈路。

無疑,這在世界領域還是首創(chuàng)!

最終,地面跨度為4600公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)得以構建。

據(jù)了解,團隊進行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測試、標準化研究以及政務金融電力等不同領域的應用示范。

在一次典型的衛(wèi)星傳輸中,從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)速率平均達到47.8千比特每秒——這比以前高出了40多倍。

此外論文也表示,這一網(wǎng)絡的信道損耗相當于地球同步衛(wèi)星與地面之間的信道損耗,也就是說,通過地球同步衛(wèi)星構建更多功能和超長量子鏈路成為可能。

天地一體化廣域量子通信網(wǎng)近了

這幅圖中的,正是締造了世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的量子物理學家、中國科學院院士潘建偉。在2016年的一次專訪中,Nature將他稱為「中國地空量子先驅(qū)」(China‘squantumspacepioneer)。

2020年11月,在騰訊科學WE大會上,潘建偉教授曾做了題為《新量子革命》的演講。

他表示,信息交互已經(jīng)并將一直伴隨著人類的進化和社會的發(fā)展,在這一過程中有兩個東西是非常重要的,一是信息交互的效率,二是隱私的保護。而如何高效率地進行信息安全傳輸,潘建偉教授給出的答案是量子通訊和量子計算。

談及中國量子通信的未來時,他表示:

經(jīng)過10-15年的努力,我們希望能夠完整地發(fā)展天地一體廣域量子的通訊網(wǎng)絡技術體系。

而如今,構建天地一體化量子通信網(wǎng)絡的可行性已經(jīng)成功驗證,中國科學團隊所盼望實現(xiàn)的天地一體廣域量子的通訊網(wǎng)絡技術體系自然也不遠了。
責任編輯:pj

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