整理| 刘燕
32 年前，人类历史上首次量子通信传输了 32 厘米。如今，潘建伟团队构建的多用户量子通信网将通信距离扩展了 1400 多万倍。
从 32 厘米到 4600 公里
1 月 7 日凌晨，中国科学技术大学宣布，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其合作团队构建了 4600 公里、从地面到太空的多用户量子通信网。
这是由中国科学家建立的全球首个集成量子通信网络。
32 年前，人类历史上首次量子通信传输了 32 厘米。且因设备操作时会发出噪音，而被调侃“只有聋子才破解不了量子保密通信”。如今，潘建伟团队构建的多用户量子通信网将通信距离扩展了 1400 多万倍。
目前该项目成果论文已在英国《自然》杂志上刊发。
中国科技大学教授潘建伟表示:“我们的工作表明，量子通信技术已经足够成熟，可以大规模实际应用”。他表示，类似地，如果将不同国家的国家量子网络结合起来，如果大学、机构和公司联合起来对相关协议、硬件等进行标准化，全球量子通信网络就可以建立起来。
与传统加密不同，量子通信被认为是不可破解的，因此被视为银行、电网和其他部门安全信息传输的未来。
量子通信的核心是量子密钥分发 (QKD)。光子 — 形成一个由 0 和 1 组成的字符串，发送方和接收方之间的任何窃听都将改变这个字符串或密钥，并立即被发现。
按通信信道的不同，量子密钥分发主要有光纤和自由空间两种实现方式。光纤 QKD 技术的信道稳定性较好，不易受到温度、湿度、天气等环境因素影响，可以实现基本恒定的安全码率，在城域城际范围内可以方便的连接到千家万户；到目前为止，最常见的 QKD 技术使用光纤传输数百公里，具有高稳定性，但信道损耗相当大。
再加上环境噪音的影响，目前现实世界条件下两个地面用户之间直接通过光纤分发量子密钥，最远距离只能达到约 100 公里。
在超远距离、移动目标、岛屿和驻外机构等光纤资源受限的场景，可以通过卫星中转的自由空间信道连接。将地面光纤和自由空间结合，可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通信网络。
在过去的几年中，潘建伟团队广泛测试并改进了集成网络不同部分的性能。例如，随着时钟速率的提高和更高效的 QKD 协议的实现，星对地 QKD 现在的平均密钥生成速率为 47.8 千比特 / 秒，比之前的速率高出 40 倍。研究人员还使用了一种名为“双场 QKD”(TF-QKD) 的新技术，将地面 QKD 的记录提高到了 500 公里以上。
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。
据悉，潘建伟的研究团队在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上，构建了世界上首个集成 700 多条地面光纤量子密钥分发 (QKD) 链路和两个卫星对地自由空间高速 QKD 链路的广域量子通信网络，实现了地面跨度 4600 公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发。
量子保密通信京沪干线，开通于 2017 年 9 月底，总长超过 2000 公里，覆盖四省三市共 32 个节点，是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线，建设过程中，研究团队攻克了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控监控等系列工程化实现的关键技术。
基于这些技术突破，一个集成的星地量子通信网络，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。
该网络平均成码率可达 47.8.1kbps，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。
星地量子通信网络包括北京、济南、上海、合肥四个光纤量子城域网（红色箭头）、1 条“京沪干线” （橙色线路）和连接兴隆、南山两个地面站（蓝色方框）的星地链路。其中，干线长 2000 公里，两个卫星地面站相距 2600 公里同时，兴隆地面站也与北京量子城域网通过光纤链接。
目前，该量子通信网络已进行了长达两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。利用可信的中继，地面光纤网络和卫星到地面的连接被集成，为中国超过 150 个工业用户服务。
据了解，接下来，潘建伟团队将进一步扩大在中国的网络，并与来自奥地利、意大利、俄罗斯和加拿大的国际合作伙伴合作。双方还将开发小型、低成本的量子密钥分发卫星和地基接收器，以及中、高地球轨道卫星，以实现全时、万公里级别的量子密钥分发。
九章问世，标志着中国实现量子优越性
上个月，潘建伟的技术团队刚刚实现了一项重大技术突破。
2020 年 12 月 4 日凌晨，中国科学技术大学宣布了新一项量子计算研究进展。由潘建伟团队研发的 76 个光子的原型机“九章”问世。
实现“量子计算优越性”是量子计算研究的第一个里程碑。量子计算优越性，即量子计算机对特定问题的计算能力超越超级计算机，这需要相干操纵约 50 个量子比特。
76 个光子 100 个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”的成功研制，标志着我国实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破。
据悉，科学家团队在构建“九章”的过程中，攻克了高品质量子光源、高精度光学锁相、规模化量子干涉三大技术难题。“九章”，求解数学算法“高斯玻色取样”只需 200 秒，目前世界上最快的超算则需要 6 亿年；处理 100 亿个样本，“九章”需 10 个小时，超算则需要 1200 亿年。
2019 年谷歌实现的量子计算原型机“悬铃木”包含 53 个超导量子比特，在求解随机线路采样问题上超越了超级计算机，成功实现了量子计算优越性。潘建伟曾在接受科技日报采访时表示，“但，求解随机线路采样目前看来还没有现实意义，现在的量子计算原型机更像是一个“玩具”，只能在玩某一个游戏方面击败经典计算机，它的重要意义在于，证明了量子计算机是可以超越经典计算机的”。
潘建伟被誉为中国“量子之父”。2020 年，是潘建伟团队的丰收之年，多项科研成果取得重大突破。
去年，6 月 15 日，潘建伟团队取得一项新突破，在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。同年 2 月，潘建伟团队在实验室中实现了 50 公里的量子纠缠。
值得一提的是，去年 7 月 9 日，潘建伟参与创办的国盾量子于科创板上市，是国内外首个独立上市的量子通信科技公司。
参考文章：
https://scitechdaily.com/china-builds-the-worlds-first-integrated-quantum-communication-network/
https://mp.weixin.qq.com/s/-xhFdYqR7YB72uDgMp3VLQ
https://www.163.com/dy/article/FVMRIT140514R9P4.html
