光纤与星地链路接力，创量子通信新纪录

　　4600公里

　　该平均成码率此前的“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，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。

　　北京时间1月7零时，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连接起来，可实现构建全球量子。《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，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，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。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1.1kps（每秒1.1千特）。

　　目前，“京沪干线”地面量子通信光纤已在为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，提高了QKD系的时钟速率；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

　　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已经成形。

　　据介绍，该平均成码率此前的“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，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，量子通信架构和管理到底是怎么进行的呢？如，北京用户想要传输信息，计算机向密钥管理系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，它将向量子系服务器发送生成更多密钥的命令。量子系服务器将命令发送至量子控制系，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。使用密钥对消息进行编码或之后，信息可以安全地传输给上海的用户。

　　随着量子信号控技术的发展，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。