2020 年 12 月(yue)，由中國科(ke)學技術大(da)學潘建偉團隊研發的(de)(de)“九章”量子(zi)計算原型機實現“量子(zi)計算優越(yue)性”，一度引發了(le)業界的(de)(de)廣(guang)泛關注。據了(le)解，“九章”在(zai)求(qiu)解 5000 萬個樣本的(de)(de)高(gao)斯玻色取樣問題時只需(xu)要 200 秒(miao)，而目前世(shi)界排名第(di)一的(de)(de)超級計算機“富岳”需(xu)要依(yi)然 6 億年，“九章”等效地比谷歌的(de)(de)量子(zi)計算機“懸鈴木”還快 100 億倍。
1 月 6 日，潘建偉團隊及其合作者又在量子通信方面推出了重磅成果，他們首次展現了一個完整的天地一體化量子通信網絡，綜合通信鏈路距離長達 4600 公里。相關(guan)論文以“An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres”為題，在線發表在頂(ding)級科學期刊 Nature 上(shang)。
來源：Nature
這項成果中展示的量子通信網絡由 700 多個光纖量子密鑰分發（QKD）鏈路和 2 個高速“衛星-地面”自由空間 QKD 鏈路組成。地面光纖網絡采用可信中繼結構，覆蓋 2000 多公里，衛星對地面 QKD 的平均密鑰傳輸速率達到每秒 47.8 kb，比之前提高了 40 倍以上，其信道損耗可與對地靜止衛星和地面之間的信道損耗相比，從而使通過地球同步衛星構建(jian)更(geng)通用和超長的量子(zi)鏈路成為可能。
圖｜量子(zi)通信衛星與地面站實驗示意圖（來源：中國科學技(ji)術大學）
研究人員通(tong)(tong)過集(ji)成(cheng)光纖(xian)和自由(you)空間 QKD 鏈路，QKD 網(wang)絡(luo)擴(kuo)展到了 2600 公(gong)里以外的(de)(de)遠(yuan)程(cheng)節點(dian)，使網(wang)絡(luo)中的(de)(de)任(ren)何(he)用戶都可以與其他任(ren)何(he)用戶進行通(tong)(tong)信。
量子通信是什么高科技？
簡單(dan)來說，利用(yong)(yong)了(le)量(liang)(liang)子(zi)糾纏的(de)物(wu)理(li)特性。在量(liang)(liang)子(zi)力學里，幾個(ge)粒(li)(li)子(zi)在彼此相互作(zuo)用(yong)(yong)后會綜合形(xing)成整(zheng)體性質，科學家們無(wu)法(fa)單(dan)獨描(miao)述(shu)各個(ge)粒(li)(li)子(zi)的(de)性質，只(zhi)能描(miao)述(shu)整(zheng)體系統的(de)性質，原(yuan)理(li)上(shang)，無(wu)論相距(ju)多遠，一(yi)對糾纏量(liang)(liang)子(zi)只(zhi)要其中一(yi)粒(li)(li)狀態(tai)產生變(bian)化(hua)，另外一(yi)粒(li)(li)也會立即出現(xian)相應(ying)的(de)轉(zhuan)變(bian)，愛因斯坦曾將這種現(xian)象稱為“鬼魅般(ban)的(de)超距(ju)作(zuo)用(yong)(yong)”。
而且，由于任何外(wai)界的(de)探測都(dou)會改變量子(zi)(zi)糾(jiu)纏的(de)形(xing)態，因(yin)而量子(zi)(zi)通(tong)信(xin)(xin)(xin)一旦被(bei)竊聽，雙(shuang)方都(dou)會迅速察覺并放棄通(tong)信(xin)(xin)(xin)。因(yin)此，科(ke)學家們(men)基于量子(zi)(zi)糾(jiu)纏的(de)原理，可以利(li)用量子(zi)(zi)密(mi)鑰分發（QKD）向通(tong)信(xin)(xin)(xin)雙(shuang)方發送(song)量子(zi)(zi)糾(jiu)纏態的(de)光(guang)子(zi)(zi)，在多個通(tong)信(xin)(xin)(xin)節點間(jian)搭建安(an)全通(tong)信(xin)(xin)(xin)的(de)網(wang)絡，對傳統的(de)多媒體數據進行加密(mi)、解密(mi)傳輸。
近年來，基于可信中繼的量子網絡在當今的技術條件下被驗證是可行的，并且有一個廣泛接受的實落地路徑：通過光纖的城內城域網、使用主干網的城際連接和通過衛星的超長距離通信。
但是，構建一個大規模的能實際應用的量子廣域網需要克服一些挑戰，因為這不僅是一個科學問題，也是一個工程問題。一個實用(yong)的(de)量子(zi)通信(xin)廣(guang)域網應該(gai)具備(bei)以下條件(jian)：
與連接大規模區(qu)域(yu)內分布式(shi)用戶的各種拓撲(pu)結構兼容；
解決基(ji)本的(de)網絡(luo)結(jie)構(gou)和管(guan)理方(fang)法(fa)；
使(shi)用適應方便擴展(zhan)的標準QKD設備；
保持已知的和潛在的安全性；
保持長期的安全(quan)性(xing)和穩定性(xing)。
圖｜集成的天地一體(ti)化量子通(tong)信網絡圖解（來源：Nature）
如今，潘建偉團隊在這方面取得了實質性進展。如上圖，該網絡線路部署了四個關鍵的隊列管理器（QMAN，紅色箭頭），分別坐落在北京、濟南、合肥和上海，由一條(tiao)超過(guo) 2000 公(gong)里的主干光(guang)纖鏈路(lu)和兩(liang)條(tiao)連接(jie)興隆和南山的地-星(xing)鏈路(lu)（相隔(ge) 2600 公(gong)里）相連接(jie)，在地面上，光(guang)纖網絡已服務(wu)于 150 多個用戶。
主干光(guang)纖鏈路由(you)可(ke)信的中(zhong)繼連接（主圖像中(zhong)黃色圓(yuan)圈(quan)），每個 QMAN 由(you)所有(you)三(san)種節點類型組成，網(wang)絡中(zhong)有(you)三(san)種類型的節點：用戶(hu)節點（紫色圓(yuan)圈(quan)）、全通光(guang)開關（綠色圓(yuan)圈(quan)）和可(ke)信中(zhong)繼（粉色圓(yuan)圈(quan)）。
一顆量子衛星連接到興隆和南山的地面站，興隆通過光纖連接到北京 QMAN，在北京，北京控制中心節點與主干連接節點位于同一位置。遠在南山的遠程用戶可以與主干網中的任何節點執行 QKD，而不需要額外的地面站或光纖鏈路。
圖(tu)｜興隆(long)地(di)面站的光學(xue)系統(tong)（a）硬件設備\（b）擴(kuo)束(shu)器\（c）BB84模塊（來源：Nature）
圖(tu)｜地(di)面硬件(jian)設(she)施：（a） 南山地(di)面站(zhan)的1.2米望遠鏡；（b） 興隆地(di)面站(zhan)的1米望遠鏡（來源：Nature）
在量子通信的網絡架構和管理方面，主要由應用層、經典邏輯層、經典物理層、量子邏輯層和量子物理層5 層組成。
圖｜一次量子加密通信的流程（來源：Nature）
論文中舉了個典型的例子，從北京到上海的量子安全通信傳輸大概分幾步？如上圖所示，可能包含 10 個環節。
消(xiao)息傳(chuan)輸命令從北京(jing)的(de)(de)用戶(hu)發送(song)到(dao)計(ji)算(suan)機(ji)（1），計(ji)算(suan)機(ji)將命令發送(song)到(dao)密鑰(yao)管理系(xi)統以(yi)請(qing)求(qiu)密鑰(yao)（2），并發送(song)給路由(you)器以(yi)找到(dao)用于經典信息傳(chuan)輸的(de)(de)經典路由(you)（3）。
密(mi)(mi)鑰(yao)管(guan)理系統(tong)(tong)會檢查密(mi)(mi)鑰(yao)是否(fou)足夠，如果是，它將密(mi)(mi)鑰(yao)發(fa)送到計算機（4）；否(fou)則，它將向量子系統(tong)(tong)服務器發(fa)送命令以生(sheng)成更多密(mi)(mi)鑰(yao)（5）。
量子(zi)系統服務器將命(ming)令發送到量子(zi)控制系統（6），該系統會(hui)找到最佳密(mi)鑰生(sheng)成路徑并發送命(ming)令以生(sheng)成密(mi)鑰（7），密(mi)鑰在量子(zi)物理(li)層(ceng)中生(sheng)成并存儲在密(mi)鑰管(guan)理(li)系統中（8），在使(shi)用密(mi)鑰對消息(xi)進行編碼或解(jie)碼之后（9），信息(xi)可以安全地傳(chuan)輸給上海的(de)用戶（10）。
同時，團隊還開發了不同類型的拓撲結構來(lai)研究和處(chu)理各種(zhong)參數，例如(ru)成本、安全性和性能等(deng)。
城域網、主干線和高速星-地 QKD
對于北京、濟南、上海和合肥四個關鍵城域網，研究人員采用了不同類型的網絡拓撲結構。
以北京城域網為例，核心是(shi)一(yi)個(ge)由 12 個(ge)可信節點(dian)組成的環路網(wang)絡，這(zhe)樣的拓撲(pu)結構(gou)設計(ji)能(neng)有效避免(mian)避免(mian)單個(ge)節點(dian)的故障或拒(ju)絕服務，控制中(zhong)心節點(dian)是(shi) 12 個(ge)環網(wang)節點(dian)之(zhi)一(yi)，對整個(ge)網(wang)絡起控制作用。
大(da)多數終(zhong)(zhong)端用(yong)戶(hu)能(neng)連接到可(ke)信節(jie)點，所有的(de)(de)終(zhong)(zhong)端用(yong)戶(hu)都(dou)能(neng)與(yu)鄰近的(de)(de)可(ke)信節(jie)點共享一(yi)個量子(zi)(zi)密鑰，通(tong)過可(ke)信節(jie)點，他們可(ke)以進一(yi)步與(yu)網絡(luo)中的(de)(de)每個人共享信息。不過考慮到降(jiang)低(di)成本的(de)(de)問題，多數終(zhong)(zhong)端用(yong)戶(hu)只(zhi)配備了 QKD 發射(she)器(qi)，沒有單光子(zi)(zi)探測器(qi)，因為單光子(zi)(zi)探測器(qi)是 QKD 系統中最昂(ang)貴的(de)(de)部分。
此外，為了延展更多的用戶，研究人員還提供了一種“全通光開關”，該開關最多可連接 16 個用戶，有助于在任何兩個連接的用戶之間直接生成量子密鑰。于是，北(bei)京城域網總共有了(le) 12 個(ge)受信任節點用戶和 19 個(ge)終端延展用戶。
合肥、濟南和上海城域網設計與北京的類似。目前，濟南(nan)城(cheng)域網擁(yong)有的用(yong)戶(hu)(hu)節(jie)點最多，該網絡于 2011 年 11 月至 2013 年 11 月建成，包括 3 個(ge)可信中繼(ji)節(jie)點，3 個(ge)全通光開關，50 個(ge)用(yong)戶(hu)(hu)節(jie)點，95 個(ge)用(yong)戶(hu)(hu)和 437 條(tiao) QKD 鏈路。
圖｜關于該(gai)量子通信(xin)網絡(luo)中的一些關鍵參數（來(lai)源：Nature）
主(zhu)干線(xian)是一個(ge)線(xian)路拓撲，由(you) 32 個(ge)受(shou)信任的(de)中(zhong)繼節點(dian)和 31 條鏈路組成。北京、濟南、上海和合肥城域(yu)網(wang)、主(zhu)干網(wang)和興隆地面站網(wang)絡的(de)平均密鑰速率(lv)分別(bie)為 12.9kbps、26.3kbps、19.7kbps、11.2kbps、79.3kbps 和 19.6kbps。研究人員還(huan)在探索使用多對 QKD 系統來提高(gao)主(zhu)干線(xian)上的(de)安(an)全(quan)密鑰率(lv)。
圖｜主(zhu)干網中繼(ji)節(jie)點的硬件設置（來源：Nature）
關于(yu)高速(su)星(xing)-地(di)量(liang)子(zi)(zi)密鑰分發，主要靠(kao)位于(yu)興隆和南山(shan)的兩(liang)個地(di)面站，他們(men)之間相(xiang)距約為 2600 公里，中間的通(tong)信靠(kao)中國的“墨子(zi)(zi)號”量(liang)子(zi)(zi)科學(xue)實驗衛星(xing)（Micius）。
“墨子(zi)號”衛星(xing)上安(an)裝了基于(yu) BB84 協(xie)議的(de)空間合(he)格(ge) QKD 發(fa)射機。BB84 協(xie)議是世界上第一(yi)個(ge)量子(zi)密碼協(xie)議，是由(you)量子(zi)物理學家查爾斯(si)·貝內特（Charles Bennett）和吉爾·布(bu)拉薩德（Gilles Brassard）于(yu) 1984 年聯合(he)開發(fa)的(de)一(yi)種量子(zi)密鑰分配方案。
圖｜高速星-地(di) QKD 的性能（來(lai)源：Nature）
據論文描述，研究人員改進了入射光束和地面采集系統之間的光學空間模式匹配。與先前的實驗相比，增強后的地面站的接收效率提高了 3 倍。同(tong)時，他(ta)們(men)使用了(le)新的 5nm 光譜濾光片代替(ti) 10nm 濾光片，以(yi)進一步(bu)抑制背(bei)景噪聲。
“墨子(zi)號(hao)”衛星沿太陽同(tong)步軌(gui)(gui)道運轉，高(gao)(gao)度約 500 公里，并(bing)于當地時(shi)間(jian)(jian) 00 時(shi)左(zuo)右通過(guo)南山地面(mian)站(zhan)時(shi)，研(yan)究人(ren)員進行了量(liang)子(zi)密鑰分(fen)配實驗(yan)，獲得了持續時(shi)間(jian)(jian)（364s）的(de)實驗(yan)數據。在軌(gui)(gui)道中心(xin)點附近(jin)達到最(zui)高(gao)(gao)的(de)篩選密鑰速率為 462kbps。經過(guo)高(gao)(gao)效的(de) BB84 后處理程序，提取(qu)出最(zui)終的(de)安全密鑰。
論文中提到，目前，研究人員可以獲得每周大約 36Mbit 的總密鑰大小，通過“墨子號”一顆衛星生成的密鑰可支持大約 6000 個用戶。密鑰速率受到衛星通(tong)過時間的限制。團(tuan)隊展望，在(zai)未來如果能形(xing)成多顆(ke)量子(zi)通(tong)信衛星組網(wang)，則(ze)可以(yi)大(da)幅(fu)度提升(sheng)網(wang)絡(luo)性能。
圖(tu)｜不同鏈路之間的(de)穩定性監測數據（來源：Nature）
為(wei)了展現量子通(tong)信網(wang)絡(luo)的(de)穩(wen)定性和可靠性，潘建偉團隊(dui)還(huan)繪制了 2017 年(nian)一(yi)年(nian)內主(zhu)干網(wang)四大(da)城域(yu)網(wang)之間的(de)平均(jun)密(mi)鑰率(lv)變化，系統趨(qu)于穩(wen)定，最小密(mi)鑰速(su)率(lv)一(yi)般(ban)大(da)于 20kbps；以及 2017 年(nian) 12 月內，每(mei)兩(liang)個相鄰節點之間的(de)平均(jun)密(mi)鑰速(su)率(lv)，所有(you) 31 條主(zhu)干鏈路的(de)密(mi)鑰速(su)率(lv)都(dou)遠(yuan)高于 28kbps，最大(da)密(mi)鑰速(su)率(lv)達(da)到 235.4kbps。
團隊在論文總結中表示，量子通信技術在實際應用中已趨于成熟。隨著主干線的(de)延伸，將形成更(geng)復雜的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)（包(bao)括完整的(de)城域網環路），從而實(shi)現(xian)安全的(de)時頻傳輸(shu)、量(liang)(liang)子引力的(de)基(ji)本(ben)測試和用(yong)于計量(liang)(liang)應用(yong)的(de)大規(gui)模互易測量(liang)(liang)等可能性(xing)。
量子加密通信網絡雛形已現
當然，如今的(de)(de)成果并非一(yi)蹴而就(jiu)，背后直接相關的(de)(de)工作(zuo)已經(jing)跨越了近(jin) 10 個年頭。
這項論(lun)文中提到的(de)(de)“墨子(zi)號”量子(zi)科學(xue)實驗(yan)衛(wei)星(xing)，于 2011 年 12 月立項，2016 年 8 月發(fa)射入(ru)軌。該衛(wei)星(xing)上主(zhu)要有(you) 5 個(ge)有(you)效(xiao)載荷，包括量子(zi)密鑰通信機(ji)(ji)、量子(zi)糾(jiu)纏(chan)發(fa)射機(ji)(ji)、量子(zi)糾(jiu)纏(chan)源(yuan)、量子(zi)試驗(yan)控(kong)制(zhi)與處(chu)理系統(tong)、高(gao)速(su)相干激光通信機(ji)(ji)等；2017 年 6 月 16 日，墨子(zi)號在實驗(yan)中實現兩個(ge)量子(zi)糾(jiu)纏(chan)光子(zi)被分發(fa)到相距(ju)超過(guo) 1200 公(gong)里的(de)(de)距(ju)離后(hou)，仍可(ke)繼續(xu)保持其量子(zi)糾(jiu)纏(chan)的(de)(de)狀(zhuang)態。
而那條全(quan)長 2000 余公里的(de)主(zhu)干線(xian)，在(zai)國內(nei)也被稱作“京滬干線(xian)”，是(shi)中國首(shou)條量子(zi)(zi)保(bao)密通信干線(xian)，于 2013 年(nian)(nian) 7 月(yue)立項，2016 年(nian)(nian) 11 月(yue)建成(cheng)，2017 年(nian)(nian) 8 月(yue)底完(wan)成(cheng)了(le)全(quan)網(wang)技術驗收(shou)，并在(zai) 2017 年(nian)(nian) 9 月(yue) 29 日正式開(kai)通，位(wei)于京滬干線(xian)上的(de)金融(rong)、政務等機構(gou)可利用這(zhe)一廣域光纖量子(zi)(zi)通信網(wang)絡進行(xing)加密通信。
衛星之外(wai)，關鍵的地(di)面(mian)設施是安徽合肥的量子(zi)科學實驗中(zhong)心，以及(ji)四(si)個(ge)量子(zi)通(tong)信(xin)地(di)面(mian)站（分別位于(yu)(yu)河北興(xing)隆、新疆烏魯木齊南山、青海(hai)德(de)令(ling)哈、云南麗江(jiang)），以及(ji)位于(yu)(yu)西(xi)藏阿里的量子(zi)隱(yin)形傳態實驗站。此(ci)外(wai)，在歐洲，奧地(di)利(li)科學院和維也納大學的科學家也與中(zhong)國方(fang)面(mian)合作，在維也納和格(ge)拉茨也部署了量子(zi)通(tong)信(xin)站點。
2018 年 1 月，在中國和奧地(di)利(li)之(zhi)間(jian)首(shou)次(ci)實現距離達 7600 公(gong)里的洲際量(liang)子密(mi)鑰分發，并利(li)用共享密(mi)鑰實現加密(mi)數據傳輸和視頻通信。
那么，量子通信網是否會取代現有的通信網絡？答案是，目的并非如此。日(ri)前(qian)，潘建偉在接受《科技日(ri)報》的(de)采訪中曾表(biao)示，量子加密通信并不是(shi)要顛覆或者取代現(xian)有的(de)通信方式(shi)，反而是(shi)可以(yi)大幅提升(sheng)現(xian)有系統(tong)的(de)安全(quan)性。
放眼國(guo)(guo)際，從 1992 年首(shou)個量(liang)子(zi)密(mi)(mi)鑰分(fen)發實驗(yan)成功以來，包(bao)括美(mei)國(guo)(guo)、中(zhong)國(guo)(guo)、俄羅斯、日本以及歐洲多國(guo)(guo)在內的(de)(de)科(ke)研機構(gou)都在致力于量(liang)子(zi)通信(xin)網的(de)(de)研發和建設，量(liang)子(zi)加密(mi)(mi)通信(xin)技(ji)術逐(zhu)漸成為大國(guo)(guo)未來科(ke)技(ji)競逐(zhu)的(de)(de)高地之一。
如今，基于衛星中繼的全球化量子通信網雛形已現。下一步，隨著覆蓋范圍擴大、相關核心器件和技術的迭代，以及相關應用標準和規范制定，量子通信時代或將邁上一個新臺階。關于量子通信的未來，你期待嗎？
