中國科學家利用量子保密通信“京滬幹線”和“墨子號”量子科學實驗衛星，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鏈路和兩條衛星對地自由空間高速量子密鑰分發鏈路的廣域量子通信網絡，實現地面跨度4600公裡、天地一體的大範圍、多用戶量子密鑰分發，證明廣域量子通信技術實際應用已經初步成熟，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定堅實的科學技術基礎。該成果1月7日發表於《自然》。
圖片來源：中國科學技術大學
按通信信道的不同，量子密鑰分發主要有光纖和自由空間兩種實現方式。光纖量子密鑰分發技術的信道穩定性較好，不易受溫度、溼度、天氣等環境因素影響，但由於光纖固有衰減特性，光纖量子密鑰分發傳輸距離限制在百公裡量級。自由空間量子密鑰分發以大氣層和外太空的自由空間為傳輸介質，光子在自由空間中具有低損耗特性，這使得基於衛星平臺的千公裡以上量級量子密鑰分發成為可能。
“京滬幹線”於2017年8月底完成驗收，總長超過2000公裡，是世界上最遠距離的基於可信中繼方案的量子安全密鑰分發幹線，目前已經接入金融、電力、政務等150餘家行業用戶。研究團隊攻克了高速量子密鑰分發、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規模量子網絡管控監控等關鍵技術。安全性測試結果表明，“京滬幹線”可以抵禦目前所有已知的量子黑客攻擊，密鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。
“墨子號”於2016年8月成功發射，已經圓滿實現預定的全部三大科學目標。“墨子號”與河北興隆地面站建立了光鏈路，在1200公裡通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級。最近，研究團隊在南山地面站實現單軌衛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，還將衛星與地面的安全成碼距離從1200公裡延長到2000公裡，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星與地面之間的損耗相當，為未來在中高軌衛星應用量子通信打下實驗基礎。2019年，國家電網有限公司基於“墨子號”建立從北京至新疆跨越2600公裡的量子密鑰分發信道，實現了電力通信數據加密傳輸，首次從工程上檢驗了星地量子通信開展實際業務的可行性。
這一成果由中國科學技術大學潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究團隊、濟南量子技術研究院研究人員及中國有線電視網絡有限公司合作完成。
來源： 中國科學報
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