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【摘 要】：编者按：本文来自微信公众号“量子位”（ID:QbitAI），作者：关注前沿科技，36氪经授权发布。 九章之后，潘建伟团队又一研究成果登上Nature。 这一次，是量子通信网络在工程上的又一

编者按：本文来自微信公众号“量子位”（ID:QbitAI），作者：关注前沿科技，36氪经授权发布。

九章之后，潘建伟团队又一研究成果登上Nature。

这一次，是量子通信网络在工程上的又一次重大突破：

在“墨子号”量子通信实验卫星和京沪干线的串联下，我国已经实现了4600公里的量子保密通信网络，并已为超过150名用户提供服务。

这也是全球首个集成量子通信网络。

并且，卫星到地面量子密钥分发的平均传输速率，比之前提高了40多倍。

潘建伟教授表示：

我们的工作表明，对于大规模实际应用而言，量子通信技术已经足够成熟。

而Nature审稿人也对此评价称，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。

首个集成量子通信网络

量子密钥分发（QKD），是利用量子通信的方式，让通信双方拥有共同的密钥。

因为密钥是利用量子态来进行加密的，所以任何窃听行为都会造成量子态改变，从而暴露。

也就是说，量子密钥分发具有“无条件的安全性”。

从1989年第一次在在IBM实验室实现32厘米的点对点QKD，到现在，潘建伟团队达到500公里量级的QKD，这些都验证了点对点QKD的可行性。

但若构建一个大规模的量子通信网络仍要面临需要不少的挑战。

比如各种拓扑结构的兼容，比如工程上如何使标准QKD设备易于扩展，比如如何保持长期的安全性和稳定性……

如今，这些问题得到了实质性的解决。

潘建伟团队提出了一个实用型的大规模量子通信网络，由4个光纤城域网（北京、济南、上海、合肥），1个长途光纤骨干网络（“京沪干线”） ，和2个星地链路（连接兴隆、南山两个地面站）*组成。

其中，京沪干线全长2000余公里，已经服务于150多个用户；兴隆、南山两个地面站相距2600公里。两者相结合，网络内任意一个用户可以实现最长达到4600公里的量子保密通信。

北京到上海的信息传输，需要这几步

整个网络由五层组成：应用层、经典逻辑层、经典物理层、量子逻辑层和量子物理层。

具体如何进行传输呢？以北京的用户给上海的用户发信息为例，大体分成这几个步骤。

1、北京的用户将“消息传输”命令发送给计算机。

2、计算机向密钥管理系统发送命令“提供密钥”，并向路由器发送命令“找到经典信息传输的经典路由”。

3、密钥管理系统检查密钥是否足够。如果足够，则将密钥发送给计算机；否则，就会要求量子系统服务器生成更多的密钥。

4、量子系统服务器将命令发送给量子控制系统。随后，量子控制系统找到最佳密钥生成路线，并发送“生成密钥”的命令。

5、密钥在量子物理层中生成，并存储在密钥管理系统中。

6、在使用密钥对消息进行编码或解码之后，信息将安全地传输给上海的用户。

具体细节，我们进一步拆解来看。

地面通信+星地通信的天地一体化地面通信

对于4个城域网，研究团队探索了不同类型的拓扑结构，以研究和解决广泛的参数，比如成本、安全、性能三者之间的权衡。

以北京城域网为例，其核心是12个可信节点组成的环路。这样设计的优点在于，能有效避免单个节点的故障或拒绝服务。

骨干网（即京沪干线）则为线性拓扑结构，有32个可信中继节点和31条链路。

星地通信

关于高速星-地量子密钥分发，主要依靠位于兴隆和南山的两个地面站，中间的通信靠中国的“墨子号”量子科学实验卫星实现。

此次，在硬件、软件以及多个方面都有大幅的提升。

在硬件上，优化了地面接收机的光学系统；软件上，则采用了更高效的QKD协议来生成密钥。

最终实现平均密钥速率保持在47.8kb/s，比此前的“墨子号”实验高出40多倍。

此外，我们将卫星-椭圆-地面QKD距离从1200公里扩展到2000公里，相应的覆盖角约为170°，几乎就是整个天空。

这一信道损耗与中地轨道卫星与地面之间的信道损耗相当（约4万公里），这说明通过地球卫星构建更通用的超长量子链路是可行的。

文章来源：《信息通信技术与政策》 网址: http://www.xxtxzz.cn/zonghexinwen/2021/0623/1459.html