她们把量子技术“玩”上太空！造了一张4600公里的量子通讯网路
编译|韦世玮
编辑|漠影
智东西1月7日消息，晚上，中科院教授、中国科学技术学院院长潘建伟团队再度登上顶尖科学刊物《》，推出量子通讯领域的重磅成果，她们通过“墨子号”卫星与沪宁干线的串联，首次建立了一张集成的空间对地量子通讯网路，综合通讯链路距离历时4600公里。
据了解，该网路由700多个光纤量子秘钥分发（QKD）链路的大规模光纤网路，以及2个高速卫星对地自由空间QKD链路组成。地面光纤网路采用可信的中继结构，覆盖2000多公里，提供了实际的安全性、可靠性和稳定性。
同时，卫星对地QKD技术的平均秘钥传输速度达47.8kb，比之前的“墨子号”卫星实验增强40倍以上，其信道耗损量与对地静止卫星与地面之间的信道耗损相仿，这促使通过地静止卫星建立更多功能和超长量子链路成为可能。
基于此，研究人员通过结合光纤和自由空间QKD链路，将QKD网路扩充到2600公里外的远程节点，使网路内的任何用户都能与其他人进行通讯。目前，在现实条件下，两个地面用户之间直接通过光纤分发量子秘钥，最远距离也只能达到约100公里。
这项研究成果已在线发表于《》上，名为《一个超过4600公里的集成星地量子通讯网路（Anspace-to-over4,600）》。
论文链接：
这是潘建伟团队继今年12月与中科院北京微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作研制“九章”量子估算截击机，实现“量子估算优越性”后，又一次在量子领域发表新成果。智东西针对这篇论文，对这项研究成果进行较为完整的复盘和梳理。
01.
长达六年技术沉淀，目标要造全球量子通讯网
何为量子通讯？
它是一种借助量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通讯方法，主要分为量子隐型传态和量子秘钥分发两种。
而量子秘钥分发（QKD），就是我们此次要聊的主角。它的诞生可以溯源到1989年，IBM的科学家们成功实现了首个QKD实验，当时的线路仅有32分米。
有意思的是，因为当时的设备操作会发出噪声，因而QKD也被业内讥讽为“只有聋子才破解不了量子保密通讯”。
虽然量子技术离我们的生活还非常遥远，并且在侦测、通信和计算机等领域，中国的量子技术已处于全球领跑水平。
尤其是我国在2011年12月立项、2016年8月成功发射升空的“墨子号”量子科学实验卫星，除了标志着我国空间科学研究迈出重要一步，也有效地协助我国科学家们成功将量子通讯发展到实用阶段。
▲“墨子号”量子科学实验卫星
此外，“墨子号”主要拥有5个有效荷载，包括量子秘钥通讯机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理系统、高速相干激光通讯机等。
发射升空后的2017年6月，“墨子号”在一次实验中成功实现两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离，并能继续保持量子纠缠的状态。
这次潘建伟团队的研究成果再度登上，其背后正是这历时10年的技术积累和工作筹办。
而这项研究中另一个主角——全长2000多公里的骨干线，亦称为“京沪干线”。这是中国首列量子保密通讯干线，耗时两年多建成（2013年7月-2016年11月），在2017年8月末完成全网技术初验，随即同年9月29日即将开通。
这意味着，这条联接天津天津两地核心的沪宁干线，将通过广域光纤量子通讯网路为线上的金融、政务等机构提供加密通讯技术支持。
但这个网路的未来肯定不止于此，正如潘建伟教授在明年初的一次访谈中提到：“量子通讯的发展目标是建立全球范围的广域量子通讯网路体系。”
02.
建立量子广域网路的六大挑战
潘建伟团队提及，QKD具有实现安全通讯和信息传输的潜力。
不过，一个全球性的QKD网路须要一个实际安全可靠的QKD网路，不仅仅是理论上的支持，由于它须要被广泛地分布在各个地区供大量用户使用。
原则上，量子中继器才能为全球网路提供一个可行的选择，但是它们不能使用目前的技术布署。
但在明天的技术条件下，研究人员觉得基于可信中继的量子网路是可行的，并有一个被广泛接受的实现路线图：通过光纤的城内城域网路，使用骨干网的城际联接，以及通过卫星的远程通讯。
但是，建立一个能实际应用的大规模量子广域网还需克服不少挑战。由于它和精典网路的建立相像，须要解决的除了是一个工程问题，还是一个科学问题。
▲量子通讯卫星与地面站实验示意图（图源：中国科学技术学院）
在研究人员看来，一个实用的量子广域网路应具备以下条件：
1、兼容联接大规模分布式用户的多种拓扑结构；
2、解决基本的网路构架和管理方式；
3、使用标准的QKD设备，以便扩充；
4、维护安全，防范已知和潜在的功击；
5、允许不同的实用服务；
6、保持可靠性和常年稳定性。
03.
网路纵跨“北济合上”，已服务超150个用户
为了进一步推进这项技术的发展，使其能更快实现落地，须要通过开发基于卫星的高速QKD来提升关键速度。潘建伟团队通过建立一个小型量子网路，已在这方面取得实质性进展。
该网路由分布于上海、济南、合肥、上海四地的4个光纤队列管理器（QMAN），以及一条超2000公里的长距离光纤骨干网、两条联接兴隆和南山的地星链路组成。
它还包括700条QKD光纤链路，比现有的网路大10倍以上。在地面上，光纤网路已为150多个用户提供服务。
▲综合空间对地量子网路的说明
1、卫星-地面链路：优化软硬件系统设计，实现高速卫星-地面量子秘钥分配
针对硬件，研究人员优化了地面接收系统的光学系统，提升了QKD系统的时钟速度；针对软件，她们采用更高效的QKD合同来世成秘钥。这种优化促使网路的关键速度才能保持在47.8kbps，比之前的“墨子号”卫星实验高出40倍。
同时，她们还将卫星与地面的QKD距离从扩充到，覆盖角约170°，几乎覆盖整个天空。这使整个信道耗损相当于对地静止卫星与地面之间的信道耗损（大概40000公里）。
最后，通过在网路中集成光纤空间链路，坐落南山的远程用户才能和骨干网中的任何节点执行QKD，而不须要额外的地面站或光纤链路。
▲地面硬件设施，分别为南山地面站的1.2米望远镜（a）、兴隆地面站的1米望远镜（b）
2、四地城域网：探求不同类型的拓扑结构
以南京城域网为例，它采用了矩形、树形和星形拓扑，每条线代表一条QKD链路，中间的环型网路由12个可信节点组成。
方形拓扑结构的优点在于，还能防止单个节点的故障或拒绝服务。控制中心节点是12个环节点之一，它控制着整个网路。
大多数终端用户联接到可信节点，产生星型拓扑结构。不过，大多数终端用户只配备QKD发射器，并无单光子侦测器，使成本大大增加，由于单光子侦测器是QKD系统中最贵的部份。
据悉，所有最终用户可与毗邻的可信节点共享一个量子秘钥，通过量子秘钥，她们能进一步与网路中的每位人共享信息。
针对未来的更高级别终端用户，研究人员还提供了全通光开关，最多可以联接16个用户，帮助任意两个联接的用户直接生成量子秘钥。
同时，作为全通光交换机的中间节点，所有用户都可以通过交换机联接，产生树型网路。现阶段，上海城域网共有12个可信节点用户和19个最终用户。
石家庄、济南、上海城域网的设计与上海相像。其中，北京城域网建设于2011年11月至2013年11月，拥有的用户节点最多，包括3个可信中继节点、3个全通光交换机、50个用户节点、95个用户、437条QKD链路。
▲量子通讯网路在各地节点的关键参数
3、骨干网：采用多对QKD系统以提高安全秘钥率
骨干网为线状拓扑结构，由32个可信中继节点和31条链路构成。
上海、济南、上海和南京城域网，以及骨干网和兴隆地网的平均关键速度分别为12.9kbps、26.3kbps、19.7kbps、11.2kbps、79.3kbps和19.6kbps。
为了保证在主骨干线上拥有更高的安全秘钥率，研究人员使用了多对QKD系统。
通过密集波分复用技术，一个骨干光纤链路能同时运行几对设备。与一对元件相比，使用多对元件的关键分辨率可降低5倍以上。
为了构建一个高效并支持大量用户的大规模量子通讯网路，研究人员建立了五层网路构架：量子化学层、量子逻辑层、经典数学层、经典逻辑层、应用层。
▲量子通讯网路加密通讯的流程示意图
以南京QMAN到北京QMAN的安全数据传输过程为例，网路构架的工作原理如上图所示，大约有以下几个环节：
（1）在应用层，用户发送数据传输恳求，该恳求将次序分配给精典逻辑层。
（2）精典逻辑层将次序发送到精典化学层以打算消息，并为消息传输找到最优路由。
（3）精典化学层首先检测是否有足够的共享秘钥。若太少，它将发送指令到量子逻辑层，找到QKD的最优路径；若有足够信息，它就进行编码，并顺着精典逻辑层提供的路径发送消息。
（4）量子逻辑层控制秘钥的生成、存储和传输，以及通过光开关控制两个节点的路由。
（5）量子化学层实现两个节点之间的秘钥生成。
4、高速星对地QKD：两个地面站与“墨子号”卫星组合
QKD有两个地面站，分别坐落兴隆和南山，两地距离约2600公里，中间的通讯借助中国的“墨子号”量子科学实验卫星。
“墨子号”上安装了一个基于诱饵状态-1984（BB84）合同的空间合格QKD发射机。
通过改进BB84模块，它能适应更大的入射光束规格，使地面站的接收效率比之前实验增强了三倍。同时，研究人员还用新的5nm波谱混频器取代10nm波谱混频器，进一步抑制背景噪音。
▲兴隆地面站的光学系统，a/b/c分别为硬件设备、扩束器、BB84模块
“墨子号”沿太阳同步轨道飞行，高度约500公里，在当地时间大概00时经过地面站，为下行量子秘钥分配实验提供了条件。
在实验过程中，从508km到超过的通讯距离能采集到58.1Mbit的过筛秘钥，平均量子误分辨率（QBER）为0.50%，最高的筛选键率（）在轨道中心点附近。
通过BB84高效的后处理程序，研究人员提取了最终的安全秘钥。通常情况下，她们每周能获得约的总秘钥大小，通过“墨子号”一颗卫星每周生成的秘钥能支持约6000个用户。
对于每一对卫星用户（主要是农行用户），秘钥每10天更新并刷新一次，速率为8Kbit（128个秘钥的64个种子）。
目前为止，关键速度仍遭到“墨子号”低轨道运行时间的限制。未来，倘若能借助一颗月球同步卫星和多颗卫星组成一个卫星天秤，就可大幅度提升秘钥率。
▲高速星对地QKD性能
04.
抵挡木马功击，计划新建沪宁骨干
作为一个安全QKD网路的关键组成部份，系统须要抵抗因现实设备的不健全而形成的安全问题。
研究人员谈到，在过去的几年中，已有几种功击被证明，如光子数分裂功击、盲功击、时移功击、波长依赖功击，以及一些潜在的特洛伊木马功击。
在她们看来，一个实用的网路还应当保持稳定和可靠，以应对突发风波。针对这种安全问题量子纠缠通讯，研究人员仍然在抵抗上述已知的功击。
在每位QMAN中，研究人员实时调整每位节点之间的QKD路由，以克服节点故障。同时，她们还勾画了一张2017年骨干网的平均关键率图，包含上海至南京、济南至乌鲁木齐、合肥至上海的骨干网平均秘钥率变化。
▲2017年12个月的骨干网可靠性测试a
不仅链路初始稳定的初期阶段，整体系统逐步趋向稳定，最小秘钥率一般超过。作为补充，她们给出了北京QMAN的可靠性测试结果，该系统连续运行17个月，通过了数万次服务测试，成功机率超过99%。
在2017年12月的骨干网测试示例中，还显示了每两个相邻节点之间的平均关键率。所有31条骨干链路的秘钥速度都远低于，最大秘钥速度达235.4kbps。
▲2017年12个月的骨干网可靠性测试b
研究人员谈到，未来她们将在广州至上海之间建设另一个骨干，产生一个小型环型骨干QKD网路，即使其中一个可信的中继骨干网发生故障，整个网路也能维持运行。
同时，通过结合独立检测设备的QKD和校正良好的设备，实用的QKD系统才能在真实条件下提供足够的安全性。
“我们的骨干网可以直接更新，以采用这种新方案。”研究人员在论文中提及：
1、测量设备无关的QKD特别适宜星型量子访问城域网量子纠缠通讯，星型拓扑是四个城市网路中的关键结构。
2、与检测设备无关的QKD和BB84的诱饵状态发射机本质上是一样的。为此，当前光纤网路中的传输系统也可以拿来实现与检测设备无关的QKD网路。
3、研究双场量子秘钥分配在骨干网远距离传输中的实验实现将是一件有趣的事情。
据悉，随着骨干网的扩充，它将产生更复杂的拓扑结构和更为完整的支路，让安全时频传输、量子引力基本测试，以及用于计量应用的大规模干涉检测等应用成为可能。
研究人员展望，伴随量子储存器的发展，不久的将来还可能会实现大面积的分布式量子估算和量子重复器。
05.
结语：我国量子通讯技术落地指日可待
其实其中提及的一些关键技术细节和名词对好多人来说都比较生疏，我们可以简单的这样理解：这项研究表明，我国的量子技术早已足够成熟，不管是在安全性还是可靠性方面，都已达到能实际应用落地的水平。
有朝一日，量子通讯网路技术会代替我们目前的通讯技术，开往真正的“星辰大海”吗？答案是否定的。潘建伟教授在明年初曾提到，虽然量子通讯是一个新兴领域，“但它并非要替代现有的通讯方法”。相反，这项技术将以一种新的途径来急剧增强现有信息系统的安全性。
其实在未来，这张网路除了在中国，它能够通过地面联接或对地卫星联接，将更多来自不同国家的国家量子网路联接上去，让全球量子网路的设想成为现实。
参考信源：论文、澎湃、学术头条相关报导
论文链接：
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