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4600公里!中科大潘建伟团队构建全球首个星地量子通信网,成果再登《Nature》

来源:新智元

又一张网通了!

中科大凌晨宣布:中国科研人员成功构建全球首个天地一体化量子通信网络。

这一最新进展由中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、彭承志带领的研究小组在《Nature》杂志上发表了题为「跨越4600公里的天地一体化量子通信网络」(An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres)的论文。

4600公里!全球首个星地量子通信网:「墨子号」牵手「京沪干线」

与常规加密不同,量子通信是不可入侵的,被认为是银行、电网和其他产业安全信息传输的未来。

量子通信的核心是量子密钥分发(QKD),它通过使用粒子(例如光子)的量子状态来形成一串零和一的字符。任何在发送者和接收者之间进行的窃听都会改变该串或密钥,因此人们会立即发现问题。

到目前为止,最常见的量子密钥分发技术主要有光纤和自由空间两种实现方式。

光纤QKD技术具有很高的稳定性,不易受天气等环境因素的影响,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,但信道损耗很大。

若想实现超远距离、岛屿、移动目标等光纤资源受限的场景,就需要利用卫星和地面站之间的自由空间进行千公里级别的传输,通过将地面光纤和自由空间的结合,能够实现大规模、全覆盖的量子通信网络。

潘建伟研究团队在《Nature》杂志上发表的论文对量子通信网络的最新成果进行了一个系统性总结。

中科大研究人员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,集成了700多条地面光纤量子密钥分发链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络

最新的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。

与此同时,这一网络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。

在过去的几年中,中科大的研究团队对集成网络的不同部分进行了广泛的测试和改进。

这次构建的量子通信网络是大尺度网络,包含了4个城市光纤量子网络、1个远距离光纤骨干网络和2个高速卫星-地面链接通路。

同时,星地之间的安全密钥速率也提升了40倍,达到47.8kbps,可以说是目前最高效的量子通信网络。

该研究团队还使用了名为Twinfield QKD(TF-QKD)的新技术,将地面QKD记录推到了500多公里。

最新的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。

与此同时,这一网络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。

150多家行业用户接入,广域量子通信网为未来研究提供「天地实验室」

星地量子通信网的最新成果证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。经过20多年的努力,中国在量子通信方面实现了从跟跑到领跑的重大转变。

2016年,中国发射了世界上第一颗量子通信卫星「墨子号」,并通过两颗卫星实现了量子密钥分发相距地面站2600公里。

2017年9月,北京和上海之间的量子密钥分发干线超过2000多公里,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。

量子保密通信京沪干线可以抵御目前所有已知的量子黑客攻击方案,同时它的密钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。

目前,中科大构建的全球首个天地一体化量子通信网络已经接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户,广域量子通信网络的雏形已基本形成。

未来,广域量子通信网络可进一步推动量子通信在多种场景的广泛应用。

地面网络与量子卫星结合,为超大尺度量子干涉的相关实验提供了有利基础,也为相对论、引力波等科学研究提供了广阔的「天地实验室」。

《Nature》杂志审稿人表示,「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」。

「量子之父」潘建伟:让量子通信驰骋于天地之间

但凡对量子力学和量子计算有所关注的人,不可能不知道潘建伟。

毕业于中科大近代物理系,在奥地利完成博士学位的潘建伟,2001年起一手搭建起了中国的量子实验室。

这位中国科学技术大学的教授,中国科学院院士,时常被称为「中国量子之父」——他当之无愧。

潘建伟的团队2003年开始研究量子卫星。全球首颗量子卫星「墨子号」在酒泉卫星发射中心发射升空让更多的人认识到了量子力学的妙用,同时也认识了这位伟大的量子力学家。

除了卫星,量子通信也实现了实际运用。全长2000多公里的量子通信京沪干线全线贯通,采用光纤传输量子信号,实现两地量子保密通信,同时它的北京接入点与墨子号卫星连接,突破了地面光纤传输的距离短板。

潘建伟团队一系列的科研成果使我国量子保密通信的实验研究和应用研究处于国际领先水平。这让更多的人相信,量子通信实现全球覆盖将成为可能。

可以说,潘建伟是一位手握量子「秘钥」的科学家。

潘建伟和研究团队取得的重大成果纷纷得到了网友们的赞扬和肯定。

「加油,中国科研力量!」

参考链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73813.htm

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