當前，以量子信息科學為代表的量子科技正在不斷形成新的科學前沿，激發革命性的科技創新，孕育對人類社會產生巨大影響的顛覆性技術。量子科技浪潮的演進，有望改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力，為未來信息社會的演進和發展提供強勁動力。

我國高度重視量子信息科技的發展，在量子信息科技領域突破了一系列重要科學問題和關鍵核心技術，產出了一批具有重要國際影響力的成果。

其中早已初具雛形的天地一體化廣域量子通信網絡迎來了新的突破，廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。

來自中國科大的消息顯示，北京時間1月7日凌晨，中國科大潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作，在國際學術期刊Nature雜志上發表了題為“跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡”的論文。

論文顯示，研究團隊在量子保密通信京滬干線與“墨子號”量子衛星成功對接的基礎上，構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發（QKD）鏈路和兩個星地自由空間高速QKD鏈路的廣域量子通信網絡，實現了地面跨度4600公里的星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發，并進行了長達兩年多的穩定性和安全性測試、標準化研究以及政務金融電力等不同領域的應用示范。

本工作發展的相關技術也為量子通信系統小型化、低成本、國產化奠定了基礎。最近團隊成功研制了重量約百公斤的小型地面站，實現了與墨子號的星地量子密鑰分發實驗，和國際多個地面站的進行了星地量子密鑰分發實驗，未來有望進一步做到可單人搬運；同時，在保證密鑰分發速率的前提下已經成功研制幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發載荷，這些成果也為形成衛星量子通信國際技術標準奠定了基礎。

什么是量子密鑰分發？

所謂量子密鑰分發，簡單說，即在遙遠兩地的用戶間生成并安全共享一組量子密鑰，為所傳輸的二進制信息加密。這種量子通信方式之所以被科學家們寄予厚望，是因為除了信息的發送、接收方，如果有第三方試圖復制或竊聽量子密鑰，則通信的雙方便會立刻察覺。

與傳統方式不同，量子密鑰分發理論上是無條件安全的，其安全性由量子力學的基本原理保證。量子不可克隆定理說明，無法完美克隆任意量子態。因此，任何對量子密鑰分發過程的竊聽，都有可能改變量子態本身，造成高誤碼率，從而使竊聽被發現。一般來說，QKD過程中對量子態的傳輸，是依靠對光子進行編碼、傳輸、測量實現的。

按通信信道的不同，量子密鑰分發主要分為光纖和自由空間兩種實現方式：

·光纖QKD技術的信道穩定性較好，不易受到溫度、濕度、天氣等環境因素影響，可實現基本恒定的安全碼率，同時，在城域城際范圍內可以方便的連接到千家萬戶；

·在超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構等光纖資源受限的場景，可通過衛星中轉的自由空間信道連接。

將地面光纖和自由空間結合，可以實現大規模、全覆蓋的全球化量子通信網絡。

量子通信技術應用前景廣闊

量子通信具有不可竊聽、不可破譯的特點，能夠保證數據在傳輸過程中的安全性和自主可控維度。這意味著，對于軍事、國防、工業、金融等信息安全領域及航天、深海等特殊通信領域而言，量子通信都具有重大應用價值與前景。

·2016年8月，“墨子號”量子衛星在酒泉衛星發射中心成功發射，圓滿完成了預定的全部科學目標。基于“墨子號”量子衛星的前期實驗工作與技術積累，研究團隊通過實現了衛星對地面站的高速量子密鑰分發，生成速率比之前的工作高出約40倍；同時，其成功地將衛星與地面的安全成碼距離從1200公里拓展到2000公里，相應的地面站俯仰角跨度可達170°，幾乎可覆蓋整個天空。

·2017年9月29日，國際上首條千公里級量子保密通信骨干網、國家發改委“京滬干線”正式開通，總長超過2000公里，覆蓋四省三市共32個節點，是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發干線。并結合“京滬干線”與“墨子號”的天地鏈路，成功演示了北京與奧地利維也納之間的洲際量子保密通信，這標志著我國已成功構建國際上首個天地一體化廣域量子通信網絡雛形。

·除此之外，目前該天地一體化量子通信網絡已經接入包括金融、電力、政務等150多家行業用戶。2019年初，國家電網有限公司基于該網絡，建立了跨越2600公里、從北京總公司至國網新疆電力有限公司的量子密鑰分發信道，實現了電力通信數據加密傳輸，首次從工程上檢驗了星地量子通信開展實際業務的可行性。

我國量子通信技術發展引領世界

我國在量子信息科技領域突破了一系列重要科學問題和關鍵核心技術，產出了一批具有重要國際影響力的成果。在我國“墨子號”和“京滬干線”等一系列量子通信重要成果的引領下，歐美等國也陸續加快推進量子通信基礎設施建設。

·在天地一體化量子通信網絡大量測試結果及標準化研究的基礎上，全球三大標準化組織之一ISO/IEC正在基于京滬干線的實踐編制國際標準《QKD安全要求、測試與評估方法》，另一國際組織ITU也正基于京滬干線的建設模式起草可信中繼安全要求、QKD網絡功能架構等國際標準。

·2020年美國發布《量子網絡戰略愿景》和《量子互聯網國家戰略藍圖》，其中《量子網絡戰略愿景》提出，“未來5年，美國將展示實現量子網絡的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發”；

·歐盟發布量子旗艦計劃《戰略研究議程》，提出“3年愿景是利用QKD協議和具有可信中繼節點的網絡實現全球范圍的安全密鑰分發，6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實現800公里以上的量子通信”。

總結

骨干網的擴展，將形成更復雜的拓撲結構，并在基礎上構建國家地基授時網絡，為定位、導航和授時服務提供保障。另一方面，地面網絡與量子衛星結合，為超大尺度量子干涉的相關實驗提供了有利基礎。

我國科研人員通過構建天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。同時，未來在此基礎上，將進一步推動量子通信技術走向金融、政務、國防、電子信息等領域的廣泛實際應用。

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