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不间断运行两年多,可抵御目前所有已知量子黑客攻击,相关成果登上《自然》

“京沪干线”构建量子保密通信网络雏形

2021-01-07 文汇报 许琦敏
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跨越4600公里的天地一体化量子通信网络示意图。 (中国科学技术大学供图)

  32年前,人类历史上首次量子通信在实验室诞生,传输了32厘米。而今,经过两年多不间断运行,世界首条量子保密通信干线——量子保密通信京沪干线的稳定性、安全性均得到了验证。今天凌晨,国际著名学术期刊《自然》杂志以“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”为题,报道了这项中国量子科技的又一重要成果。

  这项成果不仅实现了跨度4600公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发(QKD),也证明了量子保密通信技术在实际应用中的条件已经完全成熟,标志着我国已构建出天地一体化广域量子保密通信网络雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的科学与技术基础。

  “墨子号”量子科学实验卫星于2011年12月立项,是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。2016年8月16日发射升空后,在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发、高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等实验。

  “京沪干线”项目于2013年7月立项,2017年9月29日开通,整个项目建设周期42个月。建设期间,“京沪干线”项目组突破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,并成功实现首次洲际量子通信。

  在2017年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,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陈宇翱、彭承志等,与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院,以及中国有线电视网络有限公司合作,成功组建世界上首个集成了700多条地面光纤量子密钥分发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。

  经过稳定性测试、安全性测试,上述成果总结性发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。据陈宇翱介绍,京沪干线自开通之后,以满足通信行业标准的无间断运行至今,其稳定性得到了充分验证。其间,研究团队针对量子信道展开了大量安全性测试,证明其可抵御目前已知的所有量子黑客的攻击。

  两年多来,通过优化地面站系统、提高QKD发射系统时钟频率、改进密钥分发协议,团队实现了高速星地密钥分发,其密钥分发速率较两年前提高了40倍。与此同时,研究团队还进行了量子通信技术的标准化研究。在天地一体化量子通信网络大量测试结果及标准化研究的基础上,全球三大标准化组织之一ISO/IEC正在基于京沪干线的实践编制国际标准《QKD安全要求、测试与评估方法》,另一国际组织ITU也正基于京沪干线的建设模式起草可信中继安全要求、QKD网络功能架构等国际标准。

  《自然》杂志审稿人给予该成果以高度评价:“论文报告了一个令人印象深刻的工程成就”“描述了地球上最大、最先进的QKD网络”,“对于任何对QKD领域、网络安全感兴趣,甚或喜爱大型未来工程的人来说,这项成果都极具分量”。

  此外,研究团队还致力于量子通信系统的小型化、低成本、国产化。最近,研究团队成功研制出重量约百公斤的量子密钥分发小型地面站,未来有望进一步做到可单人搬运。同时,在保证密钥分发速率的前提下,团队还研制成功了几十公斤的小型化空间量子密钥分发载荷,这也为形成卫星量子通信国际技术标准奠定了基础。

  在我国“墨子号”和“京沪干线”等一系列量子通信重要成果的引领下,欧美等国也陆续加快推进量子通信基础设施建设。2020年,美国发布《量子网络战略愿景》和《量子互联网国家战略蓝图》;欧盟发布量子旗舰计划《战略研究议程》,提出“3年愿景是利用QKD协议和具有可信中继节点的网络实现全球范围的安全密钥分发,6—10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通信”。

(原载于《文汇报》 2021-01-07 06版)

打印 责任编辑:阎芳

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