光明晚报记者常河丁一鸣
中国科学技术学院1月7日宣布，中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子秘钥分发，此举标志着我国已成功打造出天地一体化广域量子通讯网路，为未来实现覆盖全球的量子保密通讯网路奠定了科学与技术基础。
1月7日下午，中国科学技术学院潘建伟及其朋友陈宇翱、彭承志等与中国科大学北京技术化学研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网路有限公司合作，在国际学术刊物《自然》杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通讯网路”的论文，证明了广域量子保密通讯技术在实际应用中的条件已初步成熟。
1月7日，中国科学技术学院宣布，中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子秘钥分发，标志着我国已成功打造出天地一体化广域量子通讯网路。上图为天地一体化量子通讯网路拓扑图中国科学技术学院供图
据了解，此项成果经过三年多的稳定性和安全性测试后，才在《自然》杂志发表。《自然》杂志审稿人评价，这是月球上最大、最先进的量子秘钥分发网路，是量子通讯“巨大的工程性成就”。
“京沪干线”对接“墨子号”打下坚实基础
“我们希望能构建一个覆盖全省的多横多纵的量子通讯网路。将来假如天上的高轨卫星和低轨卫星构成的天秤能和地面上多横多纵的网路连在一起，就可以建立全球化的实用的就是广义量子通讯网路。”中国科大学教授、中国科学技术学院院长潘建伟介绍。
在此之前，中国科研团队在量子保密通讯“京沪干线”与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上，建立了世界上首个集成700多条地面光纤量子秘钥分发（QKD）链路和两个卫星对地自由空间高速QKD链路的广域量子通讯网路，实现了星地一体的大范围、多用户量子秘钥分发。
阿里地面站望远镜中国科学技术学院供图
“它覆盖的面积是从上海到南京，光纤总长2000多公里。”中国科学技术学院院长陈宇翱介绍美国量子通讯，“我们通过卫星连到了成都，横越2600多公里，所以我们才叫‘跨越4600公里的天地一体化量子通讯网路’。”
此外，整个网路覆盖我国四省三市32个节点，包括上海、济南、合肥和北京4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。
2016年8月，“墨子号”量子卫星在兰州卫星发射中心成功发射，完满完成了预定的全部科学目标。在该工作中，研究团队在优化地面站接收光学系统、提高QKD发射系统时钟频度、应用更高效QKD合同的基础上，最终在南山地面站实现了卫星对地面站的高速量子秘钥分发，生成速度比之前高出约40倍。研究团队还成功将卫星与地面的安全成码距离从1200公里拓展到2000公里，相应的地面站俯仰角跨径可达170°，几乎可覆盖整个天空，为未来在中高轨卫星应用量子通讯、实现覆盖全球的量子保密通讯网路奠定了坚实基础。
2017年9月末，由中国科学技术学院作为项目主体建设的量子保密通讯“京沪干线”正式开通，其总长超过2000公里，是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全秘钥分发干线。
星地纠缠分发示意图中国科学技术学院供图
“京沪干线”建成后，举办了历时三年多的相关技术验证和应用示范以及大量的稳定性测试、安全性测试及相关标准化研究。结果表明，“京沪干线”可以抵挡目前所有已知的量子黑客功击方案，网路的秘钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。
牢靠树立量子通讯领域的国际领先地位
在我国“墨子号”和“京沪干线”等一系列量子通讯重要成果的推动下，欧美等国也相继推进深化量子通讯基础设施建设。
2020年，俄罗斯发布《量子网路战略愿景》和《量子互联网国家战略新蓝图》，其中《量子网路战略愿景》提出，“未来5年，日本将展示实现量子网路的基础科学和关键技术，从量子互连、量子中继器、量子储存器到骁龙量量子信道，以及洲际天基纠缠分发”。
欧共体发布量子旗舰计划《战略研究议题》，提出“3年愿景是借助QKD合同和具有可信中继节点的网路实现全球范围的安全秘钥分发，6至10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通讯”。
所谓量子秘钥分发，主要有光纤和自由空间两种实现方法。光纤QKD技术的信道稳定性较好，不易遭到气温、湿度、天气等环境诱因影响，可以实现基本恒定的安全分辨率，在城域城际范围内可以便捷地联接千家万户；而在超远距离、移动目标、岛屿和驻华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联接。
量子通讯提供了原理上无条件安全的通讯方法，可以急剧提高现有信息系统的安全性。它的发展目标是建立全球范围的广域量子通讯网路体系。通过光纤实现城域量子通讯网路、通过中继器实现紧邻两个城市之间的联接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的联接，是广域量子通讯网路的发展路线。
潘建伟表示，量子通讯具有显著的应用导向，从实验室迈向实际应用，须要经历基础研究、关键技术研制、工程化集成与验证等阶段，之后就能实现规模化商业应用。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等美国量子通讯，都是基于我国前期10余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目，逐步推动了量子通讯的现实应用。
“正是因为我国率先举办了规模适度的量子通讯技术验证与应用示范，牢靠树立了我国在量子通讯领域的国际领先地位。”潘建伟说。
冲向更远的里程碑
1998年6月，在中国科学技术学院近代化学系的支持下，张永德院士和郭光灿院士牵头发起了我国第一次关于量子信息的香山大会，标志着我国的量子信息研究拉开帷幕。
2001年，中国科学技术学院组建国内首个量子实验室。
将近20年后，该校潘建伟教授团队陆续完善“量子估算优越性”里程碑、推动建立全球首个星地量子通讯网。团队发展史，也是一部我国量子信息科技从落后到领跑的兴衰史。
“根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认量子估算有几个阶段性的里程碑。”陈宇翱告诉记者。
第一个里程碑是实现“量子估算优越性”，即量子计算机对玻色采样、组合优化等特定问题的估算能力赶超传统超级计算机。2020年末，潘建伟教授团队实现了76个光子的量子估算靶机“九章”。按照现有最优的精典算法，“九章”处理更为复杂的“高斯玻色采样”问题的速率，比目前最快的超级计算机“富岳”快100万亿倍，等效速率比微软的量子估算靶机“悬铃木”快100亿倍。这一成果促使我国成功达到了“量子估算优越性”里程碑。
第二个里程碑是实现真正“有用”的专用量子模拟机，才能解决一些精典计算机无法求解的有重大应用价值的问题。近些年来，潘建伟团队在超冷原子量子模拟方向上不断取得突出成果，包括首次实现二维载流子-轨道耦合的人工制备、首次实现71个格点的量子模拟器并确切模拟了一维格点体系的模型、首次观测到超低湿度下能级分子与原子之间的散射共振等。这种工作为实现规模化的超冷原子量子估算与模拟奠定了基础。
量子估算的终极梦想则是第三个里程碑：实现可编程的通用量子计算机，即相干操纵起码数百万个量子比特，同时将量子比特的操纵精度增强到赶超容错阀值（>99.9%），能在精典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。因为技术上的巨大挑战，何时实现通用量子计算机尚不明晰，学术界通常觉得还须要15年至20年甚至更长的时间。
“我们十分有幸推进了我国量子估算研究牢靠确立了国际第一方阵的地位。”潘建伟说，他也一直深信，“在国外一定拥有比美国更宽广的事业发展空间”，将继续率领团队冲向更远的里程碑，争取产生更大的优势。
《光明晚报》（2021年01月08日01版）