日前，國際著名學術期刊《自然》發表了我國在量子科技領域的又一大成就——跨越4600公裡的天地一體化量子通信網絡。
這篇論文的發表，證明瞭廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。我國科研人員構建的天地一體化廣域量子保密通信網絡初具雛形，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。
地面跨度4600千米、多用戶量子密鑰分發(QKD)、長達兩年多的穩定性和安全性測試、標準化研究，以及在政務、金融、電力等不同領域的應用示範——搭建這張龐大的“未來工程”網絡的設備儀器，不再是實驗室裡僅僅滿足實驗需求的產品，而必須是穩定可靠、滿足業務運行要求、可批量生產的工業化產品。
這些設備產品是如何在短短數年內，從實驗室走向產業化的？日前，記者走訪濟南量子技術研究院，探尋我國的量子保密通信技術與產品的產業化之路。
籌謀未來工程，十年佈局讓產業落地
發表在《自然》上的論文，是對我國十幾年來量子通信技術發展的一次系統性總結。論文審稿人評價它是“地球上最大、最先進的QKD網絡”，將其形容成“大型未來工程”。
目前，天地一體化量子通信網絡包括北京、濟南、上海、合肥四個光纖量子城域網、一條“京滬幹線”，以及連接興隆、南山兩個地面站的星地鏈路。其中，幹線長2000公裡，兩個衛星地面站相距2600公裡。
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QKD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，可實現基本恆定的安全碼率，在城域城際範圍內能方便地連接到千家萬戶。而超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構等光纖資源受限的場景，則可通過衛星中轉的自由空間信道連接。
▲量子保密通信電話設備
因此，將地面光纖和自由空間結合，可以實現大規模、全覆蓋的全球化量子通信網絡。廣域量子通信網絡的發展路線，就是通過光纖實現城域量子通信網絡、通過中繼器實現兩個鄰近城市間的連接、通過衛星平臺中轉實現遙遠區域間的連接。
就在32年前，人類歷史上首次量子通信在實驗室誕生，傳輸了僅僅32釐米。32年之後，量子保密通信何以如此迅速走向工程實踐？早在2009年，我國量子科技領軍人物、中國科技大學教授潘建偉就開始籌謀量子通信技術產業化之路。
2001年，潘建偉回國在中國科大組建實驗室，2004年在國際上首次實現五光子糾纏及終端開放的量子隱形傳態。這是國內量子信息研究領域第一篇發表在《自然》上的論文，也標誌著中國在多光子糾纏操縱方面的工作，已成功躍居國際領先水平。
當科研逐漸從“跟跑” “並跑”走向“領跑”,潘建偉團隊也開始意識到,真正有應用價值的量子科技,需要多方面技術的綜合集成,並且達到工程化的實用水平。
2009年5月，中國科學技術大學量子通信團隊創立科大國盾量子技術股份有限公司，邁出了量子通信技術產業化的第一步。2010年，山東省與中國科大簽訂協議，引進國盾量子團隊，投入大量資金支持量子通信產業落地。2011年5月，濟南量子技術研究院成立，主要開展量子科學基礎研究和應用基礎研究，為量子科研成果轉化提供技術支撐，並承擔組織建設量子科技公共研發平臺、建設量子保密通信試驗網等任務。
自此，潘建偉團隊基本奠定了合肥—上海—濟南的三元發展態勢，分別以基礎研究、應用基礎研究、產業化為主要任務，形成從實驗室到產業的聯動發展態勢。
有了產業化的支撐，我國量子通信開始了腳踏實地的發展。2011年12月，作為中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一，“墨子號”量子科學實驗衛星立項；2013年7月，“京滬幹線”項目立項。一邊突破前沿關鍵技術，一邊技術落地轉化成設備與產品，不斷提升產品穩定性、安全性，這為我國搭建起世界首個天地一體化量子通信網絡奠定了堅實基礎。
突破硬核技術，讓光子順暢“奔跑”
在中國科大上海研究院有一個展示大廳，屏幕上滾動顯示著“京滬幹線”覆蓋四省三市共32個節點的示意圖。這是目前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。
“這條幹線上，有不少設備就來自濟南的量子通信產業化基地。”身為濟南量子技術研究院執行院長，張強在上海研究院的時間也不少，因為濟南有很多技術的產業化源頭出自上海研究院。
由張強所負責的週期極化鈮酸鋰波導芯片研製平臺，就設在濟南量子院。目前，這一平臺是世界前三、中國大陸唯一掌握逆向質子交換鈮酸鋰波導技術的研發機構，已實現週期極化鈮酸鋰波導芯片的完全自主化、國產化、量產化,芯片相關技術參數已達到國際領先水平。
▲三英寸近化學計量比鈮酸鋰晶體
“鈮酸鋰是一種很好的光信號調製材料，用它做成的波導芯片，是量子通信網絡中不可或缺的核心器件之一。”張強打了個比方，這就好比龐大的電網需要大大小小的變壓器，才能使得發電廠的電力順暢輸送到大城小村的每個角落，光信號在傳輸過程中，同樣需要變換頻率，來確保信息的高效率傳輸。比如，自由空間光通信的頻率和光纖通信的頻率就不一致，來自衛星的光信號 “落地”之後，必須變換頻率，才能在光纖中繼續“奔跑”，而波導芯片就是承擔這一重要任務的。
“我們已基本建立起了鈮酸鋰波導芯片的全產業鏈條，覆蓋從鈮酸鋰晶體生長到集成化多通道量子頻率轉換芯片多個關鍵環節。而且，我們在該芯片基礎上，通過國際合作，研製出了多種單光子探測器。”張強介紹，新研製的單光子探測器效率已經比“墨子號”中所使用的有了大幅提升，未來效率還可進一步提升。
值得一提的是，圍繞波導芯片，相關上下遊企業已經在濟南量子技術研究院周圍，初步形成了一個產業生態鏈，不少激光相關企業已經與研究院建立了合作關係。
▲波導芯片實驗室的百級黃光區
根據潘建偉的設想，在 “墨子號”之後，還將研製地球靜止軌道量子通信衛星，實現白天量子通信，乃至構建“量子星座”。目前，濟南量子院與中國科大已經在國際上首次成功實現了白天遠距離自由空間量子密鑰分發，通過地基實驗驗證了日光條件下星間和星地之間量子密鑰分發的可行性。這為未來構建基於量子衛星的星地、星間量子通信網絡奠定了基礎。
在濟南量子技術研究院的頂樓天臺，架設有一臺小型量子通信地面接收站。在目前的天地一體化量子通信網中，用來與“墨子號”建立星地鏈路的，是兩個體型龐大的地面接收站。而未來，這種重量僅在百公斤左右的小型地面站，將會逐漸成為主流。
濟南量子技術研究院副院長周飛介紹，這是全球首套小型化可移動量子衛星地面站，已與“墨子號”成功完成了星地對接。目前，此類可移動小型地面站已和國際上多個地面站進行了星地量子密鑰分發實驗，未來有望進一步做到可單人搬運。同時，在保證密鑰分發速率的前提下，團隊還成功研製出了幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發載荷，這些成果也為形成衛星量子通信國際技術標準奠定了基礎。
▲全球首套小型化可移動量子衛星地面站
在《自然》這篇關於量子保密通信網絡的總結性論文中提到，這張網絡已開展了長達兩年多的相關技術驗證和應用示範以及大量的穩定性測試、安全性測試及相關標準化研究，通過了光子數分離攻擊、致盲攻擊、時移攻擊、波長依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測試，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方案。
濟南量子技術研究院正在建設一個量子保密通信攻防平臺。“網上對於量子通信安全性的質疑很多，但真正跑來‘打擂臺’的還非常少，專業團隊就更少。”周飛介紹，多年來，濟南量子院也一直致力於量子通信安全的基礎研究，在國際上開創性地發展了“測量器件無關量子密鑰分發”理論和“雙場量子密鑰分發”理論，分別支撐實現了404公裡和509公裡量子保密通信世界紀錄。
飛入尋常百姓家，為量子通信“立標準”
從2009年開始推動量子技術的產業化，到如今已有150多家行業用戶接入，天地一體化量子通信網絡已經實現了實用化。據介紹，目前京滬幹線網絡的密鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用。
在廣域量子通信網絡的雛形已基本形成的基礎上，未來進一步推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域的廣泛應用，已是相當清晰的發展趨勢。隨著骨幹網的擴展，這張天地一體化量子通信網絡還將形成更復雜的拓撲結構，今後將有可能在此基礎上，構建國家地基授時網絡，為定位、導航和授時服務提供保障。
如何讓量子保密通信能夠進入尋常百姓家，一直是研發團隊關注焦點之一。2017年，國盾量子就與中興合作，推出了全球首款使用量子密鑰的商用安全加密手機。這種手機採用特製的SIM卡，將量子密鑰充入手機中。不過，目前此款手機還不能隨時接收量子密鑰，只能使用存儲在SIM卡中的密鑰，來建立量子保密通信的鏈路。密鑰消耗完之後，就必須重新“充”入新一批密鑰，方能繼續使用。不久之後，此類手機也將實現“多卡合一” “多號合一”模式，未來藉助天地一體化量子通信網絡等新基建設施,實現有線和無線之間的互聯互通。
▲全球首款使用量子密鑰的商用安全加密手機
周飛認為，未來或許每棟建築都可能會預留出量子通信的信道接口，一幢大樓只需放置一臺量子加密機，就能為所有用戶提供密碼接收服務。
不過，要將這些夢想變為現實，關鍵就在於建立標準。目前，在天地一體化量子通信網絡大量測試結果及標準化研究的基礎上，全球三大標準化組織之一ISO/IEC正在基於京滬幹線的實踐編制國際標準《QKD安全要求、測試與評估方法》，另一國際組織ITU也正基於京滬幹線的建設模式起草可信中繼安全要求、QKD網絡功能架構等國際標準。
在標準建立的過程中，濟南量子技術研究院承擔著其中的大量工作。“讓量子科技與行業發展結合，在工業互聯網、金融等領域，一定可以產生大量新業態、新模式。”周飛相信，量子科技所帶來的產業革命，必將會釋放出難以想象的巨大能量，給人類社會發展帶來新紀元。
作者：許琦敏
編輯：許琦敏
責任編輯：任荃
圖片來源：濟南量子技術研究院
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