1989年，当IBM实验室实施了第一个量子密钥分配（QKD）实验时，生产线只有32厘米，并且该设备在运行时发出了噪音。 荒谬的是，只有聋哑人无法破解量子秘密通信。如今，在“墨子”量子通信实验卫星与京沪干线的串行连接下，中国已经实现了一个4,600公里的量子安全通信网络，并为150多个用户提供服务。
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北京时间1月7日0:00，中国科学院院士，中国科学技术大学教授潘建伟在世界顶级学术期刊《自然》上发表了一篇文章。解释如何实现“连连看”。 这篇文章的标题是“一个超过4600公里的集成空对地量子通信网络”。
该文章认为，这项工作表明量子技术已经足够成熟，可以实用。 通过地面光纤和卫星连接更多的国家量子网络，可以实现全球量子网络。
量子通信的距离问题
量子密钥的特征在于它以光子的量子态被编码。 根据量子不可克隆定理，未知的量子态无法准确复制，一旦被测量，它将被破坏。 因此，一旦有人窃取并尝试自行读取量子密钥，就会被发现。
不被复制的缺点是不能像工程中的电信号那样被增强。 光子通过长距离光纤传输，必然会发生损耗。
加上环境噪声的影响，在当前的现实条件下，两个地面用户直接通过光纤分配量子密钥，最远的距离只能达到100公里左右。
当量子中继器技术还不成熟时，世界上第一条量子安全通信干线，即长达2000公里的“京沪干线”，沿途设有32个中继站，以进行“中继”。 ”，通过人工监视，网络隔离等手段确保中继站点中的信息安全。
当然，除了可用的技术外，科学家们还在探索一些更先进的新技术来解决距离问题。 例如，两场量子密钥分配（TF-QKD）。 在这方面，济南量子技术研究所的王向斌团队和潘建伟的团队合作，将真实环境光纤上的双场量子密钥分发距离从300公里扩展到509公里。
另一方面，高轨道卫星可以用作天基中继站。 对于长距离或洲际用户，由于自由空间中量子信号衰减的程度很低，并且退相干效应可以忽略不计，因此卫星对地面QKD已成为最有吸引力的解决方案。
2017年，潘建伟的团队借助“墨子”卫星成功地将量子密钥分发给了河北兴隆地面站。 最大距离为1,200公里，平均编码速率可以达到1.1kbps（每秒1.1 kb）。
关键技术
尽管先前的实验已经证明了小规模量子城域网和关键服务的可行性，但是构建实用的大规模量子广域网仍然需要克服几个主要挑战。
地面量子通信光纤网络已经为150多个用户提供服务。 在这方面，潘建伟的团队演示了核心关键技术，例如上转换单光子探测器，密集波分复用，高效的上下传输，实时后处理和监控。 最重要的是与已知的量子攻击作斗争。
量子密钥分配设备，控制设备和经典通信设备。 SPD是指单光子探测器
此外，他们还将星地QKD距离从1200公里增加到2000公里，相应的覆盖角为170度，几乎覆盖了整个天空。 南山地面站的远程用户可以在“北京-上海干线”上的任何节点上执行QKD，而无需其他地面站或光纤链路。
星地量子通信网络
基于这些技术突破，形成了一个集成的卫星对地量子通信网络，该网络由包括700多个QKD链路和两个卫星对地自由空间QKD链路的大规模光纤网络组成。
该网络的平均比特率可以达到47.8.1kbps，比以前的“ Mozi”实验高40倍以上。
光纤QKD链接长2000公里，卫星对地QKD链接长2600公里。 将两者结合起来，网络中的任何用户都可以实现长达4600公里的量子安全通信。
从示意图中可以看到，卫星对地量子通信网络包括北京，济南，上海和合肥的四个光纤量子城域网（红色箭头），一条“京沪干线”（橙色线）。 ）和两个连接兴隆和南山的地面站。 （蓝框）卫星到地球的链接，其中干线长2000公里，两个卫星地面站相距2600公里
同时，兴隆地面站也通过光纤连接到北京量子城域网。
南山地面站的1.2米望远镜和兴隆地面站的1米望远镜
每个量子城域网中都有三种类型的节点。 紫色圆圈是用户节点，绿色圆圈是完整的光开关，粉红色圆圈是受信任的节点。
文章介绍说，地面上的量子安全通信光纤网络已经为150多个用户提供服务。 那么，量子通信网络架构和管理如何工作？ 本文以从北京到上海的安全传输为例。
如果北京的用户想要传输信息，计算机将向密钥管理系统发送密钥请求命令，并在路由器上搜索经典信息传输的经典路径。 密钥管理系统检查密钥是否足够。 如果是，它将密钥发送到计算机。 否则，它将向向量子系统服务器发送命令以生成更多密钥。 量子系统服务器将命令发送到量子控制系统，找到最佳密钥生成路径，然后发送命令以生成密钥。 密钥在量子物理层中生成并存储在量子管理系统中。 使用密钥对消息进行编码或解码后，信息可以安全地传输给上海的用户。
展望全球量子网络
本文的结论是，这项工作表明量子技术已经足够成熟，可以实用。 通过地面光纤和卫星连接更多的国家量子网络，可以实现全球量子网络。
随着量子信号操纵技术的发展，那些仍处于实验室阶段的新型QKD解决方案也将进入实际应用，例如与设备无关的QKD和双场QKD。
将与测量设备无关的QKD与经过良好校准的设备相结合，量子密钥分发系统可以在现实条件下提供足够的安全性
潘建伟的团队表示，“京沪干线”可以直接升级以适应这些新计划。
展望未来，本文认为，随着量子通信网络的扩展以形成更复杂的拓扑结构和完整的环路，我们可以探索安全的时频传输，量子引力的基本测试以及大规模干涉测量应用。 分布式量子计算和量子中继器也可能在不久的将来实现。
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