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光纤与星地链路接力,创量子通信新纪录
发布日期:2021-1-20 10:39 文章来源:科技日报 吴长锋 览196次

北京时间1月7日零时,中国科学技术大学(以下简称中科大)教授潘建伟团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发,标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网雏形。该成果已在英国《自然》杂志上刊发。

潘建伟指出,这项成果表明量子技术成熟到了足以实用的地步,通过地面光纤及卫星能够将更多国家量子网络连接起来,可实现构建全球量子网络。《自然》杂志审稿人评价称,这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络,是量子通信“巨大的工程性成就”。

从32厘米到4600公里

通信距离提升超14万倍

1989年,首个量子密钥分发(QKD)实验在IBM公司的实验室内实现,当时的传输线路只有32厘米。如今,在“墨子号”量子通信实验卫星和“京沪干线”的交互下,经过两年多稳定性、安全性测试,中国已经实现了4600公里的量子保密通信网络,并为超过150名用户提供服务。

量子密钥是依据量子不可克隆定理,一个未知的量子态不能够被精确地复制,一旦被测量也会被破坏。因此,一旦有人窃取并试图自行读取量子密钥,一定会被发现。

但是,不可复制也有坏处,那就是工程方案上无法像电信号一样被增强。光子通过长距离光纤传输,必然会产生损耗。再加上环境噪音的影响,目前真实环境中两个地面用户之间直接通过光纤分发量子密钥,最远的传输距离只能达到约100至200公里。

在量子中继器技术尚未成熟的情况下,距离长达2000公里的世界首条量子保密通信干线“京沪干线”沿途设置了32个中继站点进行“接力”,通过网络隔离等手段保障中继站点内的信息安全。

与此同时,科学家们也在探索一些更为前沿的新技术以解决距离问题。例如,双场量子密钥分发(TF-QKD)。在这方面,潘建伟团队与其合作者将真实环境中光纤的双场量子密钥分发距离从300公里拓展到了509公里。另一方面,高轨道的卫星可以作为天基中继站点。对于长距离或洲际用户来说,由于自由空间内量子信号衰减水平低、退相干效应可以忽略,星地QKD成了最具吸引力的方案。

2017年,潘建伟团队借助“墨子号”卫星成功向河北兴隆地面站分发了量子密钥,最远距离达到1200千米,平均成码率可达1.1kbps(每秒1.1千比特)。

目前,“京沪干线”地面量子通信光纤网络已在为150多名用户提供服务,在这方面,潘建伟团队演示了上转换单光子探测器、密集波分复用、高效顶底传输、实时后处理和监控等核心关键技术,最重要的是对抗已知的量子攻击。关于星地链路,他们则通过大幅提升系统软硬件设计实现了高速星地QKD。硬件方面,优化了地面接收器的光学系统,提高了QKD系统的时钟速率;软件方面,采用更高效的QKD协议来生成密钥。

此外,他们还将星地QKD距离从1200公里提升到2000公里,相应的覆盖角度为170度,几乎是整个天空。南山地面站里的远程用户可以与“京沪干线”上的任一节点进行QKD,无需额外的地面站或光纤链路。

构建星地量子通信网络

实验室阶段新方案将步入实用

基于这些技术突破,由一个包括700多个QKD链路的大规模光纤网络和两段星地自由空间QKD链路组成的、一个集成的星地量子通信网络已经成形。

据介绍,该网络平均成码率比此前的“墨子号”实验高出40多倍。光纤QKD链路长达2000公里,而星地QKD链路长达2600公里,两相结合,网络内任意一个用户可以实现最长达到4600公里的量子保密通信。

那么,量子通信网络架构和管理到底是怎么进行的呢?比如,北京用户想要传输信息,计算机向密钥管理系统发送请求密钥的命令,并向路由器寻找经典信息传输的经典路径。密钥管理系统检查密钥是否足够——如果是,那就将密钥发送到计算机;否则,它将向量子系统服务器发送生成更多密钥的命令。量子系统服务器将命令发送至量子控制系统,找到最佳的密钥生成路径,发送生成密钥的命令。密钥在量子物理层中生成,储存在量子管理系统。使用密钥对消息进行编码或解码之后,信息可以安全地传输给上海的用户。

随着量子信号操控技术的发展,那些尚在实验室阶段的新型QKD方案也将步入实用,例如测量器件无关QKD、双场QKD等。将测量器件无关QKD和校准良好的设备结合起来,量子密钥分发系统可以在现实条件下提供足够的安全性。潘建伟团队表示,“京沪干线”可以直接升级以适应这些新方案。

 
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