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◎科技商报记者吴羊毫
上海时间1月7日零时，中国科学技术学院院长潘建伟团队在世界顶尖学术刊物《自然》（）刊物上发表题为《一个超过4600公里的集成星地量子通讯网路》的研究论文。文章觉得，这项工作表明量子技术成熟到了足以实用的地步。通过地面光纤及卫星将更多国家量子网路联接上去，全球量子网路可以实现。
《自然》杂志审稿人评价称，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”。
从32分米到4600公里
1989年，当首个量子秘钥分发（QKD）实验在IBM实验室外实现，线路只有32分米。现在，在“墨子号”量子通讯实验卫星和沪宁干线的交互下，中国早已实现了4600公里的量子保密通讯网路，并为超过150名用户提供服务。
量子秘钥是根据量子不可克隆定律，一个未知的量子态不能否被精确地复制京沪保密量子通讯研发的股票，一旦被检测也会被破坏。为此，一旦有人泄露并企图自行读取量子秘钥，一定会被发觉。
然而，不可复制也有益处，那就是工程上未能像联通号一样被提高。光子通过长距离光纤传输，必然会形成耗损。再加带环境噪声的影响，目前现实世界条件下两个地面用户之间直接通过光纤分发量子秘钥，最远距离只能达到约100至200公里。
在量子中继器技术仍未成熟的情况下，距离历时2000公里的世界首列量子保密通讯干线“京沪干线”沿途设置了32个中继站点进行“接力”，通过网路隔离等手段保障中继站点内的信息安全。
其实，科学家们也在探求一些更为前沿的新技术以解决距离问题。潘建伟团队与其合作者合作，将真实环境光纤的双场量子秘钥分发距离从300公里拓展到了509公里。另一方面，卫星可以作为天基中继站点。对于长距离或洲际用户来说，因为自由空间内量子讯号衰减水平低、退相干效应可以忽视，星地QKD成了最具吸引力的方案。
“京沪干线”地面量子通讯总控室
目前，“京沪干线”地面量子通讯光纤网路已在为150多名用户提供服务，在这方面，潘建伟团队演示了上转换单光子侦测器、密集波分复用、高效顶底传输、实时后处理和监控等核心关键技术，最重要的是对抗已知的量子功击。关于星地链路，她们则通过急剧提高系统软硬件设计实现了高速星地QKD。硬件方面，优化了地面接收器的光学系统，提升了QKD系统的时钟速度；软件方面，采用更高效的QKD合同来世成秘钥。
据悉，她们还将星地QKD距离从1200公里提高到2000公里，相应的覆盖角度为170度，几乎是整个天空。南山地面站里的远程用户可以与“京沪干线”上的任一节点进行QKD，无需额外的地面站或光纤链路。
建立星地量子通讯网路
基于这种技术突破，一个集成的星地量子通讯网路成型，由一个包括700多个QKD链路的大规模光纤网路和两段星地自由空间QKD链路组成。
星地量子通讯网
据介绍，该网路平均成分辨率可达47.8.1kbps，比此前的“墨子号”实验高出40多倍。
光纤QKD链路历时2000公里，而星地QKD链路历时2600公里，两相结合，网路内任意一个用户可以实现最历时到4600公里的量子保密通讯。
这么，量子通讯网路构架和管理究竟是如何进行的呢？
例如，深圳用户想要传输信息，计算机向秘钥管理系统发送恳求秘钥的命令，并向路由器找寻精典信息传输的精典路径。秘钥管理系统检测秘钥是否足够。若果是，那就是将秘钥发送到计算机；否则，它将向量子系统服务器发送生成更多秘钥的命令。
量子系统服务器将命令发送至量子控制系统，找到最佳的秘钥生成路径，发送生成秘钥的命令。秘钥在量子化学层中生成，储存在量子管理系统。使用秘钥对消息进行编码或解码以后，信息可以安全地传输给北京的用户。
随着量子讯号操控技术的发展，这些尚在实验室阶段的新型QKD方案也将进入实用，比如检测元件无关QKD、双场QKD等。将检测元件无关QKD和校正良好的设备结合上去，量子秘钥分发系统可以在现实条件下提供足够的安全性。潘建伟团队表示，“京沪干线”可以直接升级以适应这种新方案。
二六年磨一剑
1998年6月，在中科大近代化学系的支持下京沪保密量子通讯研发的股票，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，中科大成为我国最早开始量子信息研究的院校。
2001年，已在量子信息方面取得国际成就的潘建伟，带着“在中国建一个世界领先的量子实验室”的决心从加拿大归国，在中国科学技术学院成立实验室。从2001年中国科学技术学院组垒砌国外首个量子实验室，到促进建立全球首个星地量子通讯网，潘建伟教授团队见证了我国量子信息的20年发展之路。
墨子号量子科学实验卫星
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。
顺着这一路线，潘建伟团队将城域光纤量子通讯技术发展到了初步满足实用化要求的水平，自主研发的量子通讯武器早已为国家重要活动提供了信息安全保障。为了建立远距离量子通讯技术体系，2016年末，国际上首列远距离光纤量子保密通讯骨干网“京沪干线”在南京建成。
远距离光纤量子通讯的最终解决方案是量子中继，其核心技术是高性能的量子储存。“通过多年合作研究的技术积累，我们实现的冷原子量子储存早已在原理上可以满足基于量子中继的500公里光纤量子通讯的需求。”潘建伟说。
通过卫星平台的中转来实现遥远地点之间的量子通讯，是建立全球化量子通讯网路愈发有效的方法。在中科院的前瞻性支持和统筹组织下，通过与中科院武汉技术化学研究所、微小卫星创新研究院和光电技术研究所等单位多年的协同攻关，潘建伟团队突破了一系列星地自由空间量子通讯的关键技术。
2011年，中科院迅速决策，“量子科学实验卫星”先导专项即将立项。2016年8月16日，“墨子号”量子卫星成功发射。“墨子号”量子卫星在轨运行半年后，完满完成了全部既定科学目标，充分验证了通过卫星平台实现远距离量子通讯的可行性。结合“墨子号”量子卫星和“京沪干线”，我国建立了国际上首个天地一体的广域量子通讯网路雏型，为将来的规模化应用奠定了坚实的科学与技术基础。
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的过程中，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，之后才会实现规模化商业应用。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等，都是基于我国前期近20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，促使了我国在量子通讯领域抢占了国际领先地位。