跨越4600千米！天地一体化量子通信

天地一体化量子通信网络是“墨子号”与“京沪干线”贯通的天地大演示，与2017年的首次短暂碰面不同，这个通信网络是世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发链路和两个星地自由空间高速链路的广域量子通信网络，实现了地面跨度4600km的天地一体的大范围、多用户量子保密密钥分发，并进行了两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究及政务、金融、电力等不同领域的应用示范，成功验证构建天地一体化量子通信网络的可行性。

2021 年 1 月 7 日，中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理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络有限公司合作，在国际学术期刊《自然》上发表了题为《跨越 4 600km 的天地一体化量子通信网络》的论文，证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。

《自然》杂志审稿人评价称，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”。

该天地一体化量子通信网络通过“京沪干线”覆盖我国四省三市32 个节点，包括北京、济南、合肥和上海 4 个量子城域网，同时通过“墨子号”连接西藏阿里站、云南丽江站、乌鲁木齐南山站和青海德令哈站4 个地面站，而北京兴隆站在这之前已接入“京沪干线”，是“墨子号”与“京沪干线”的连接点，如图 4-22 所示。“4 600km”是因为这个网络通过京沪干线覆盖从北京到上海，光纤总长超过 2 000km，又通过卫星从北京兴隆站连到了乌鲁木齐南山站，横跨 2 600km 左右。中国科研人员通过构建天地一体化量子通信网络的雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。

“京沪干线”建成后，开展了两年多的相关技术验证、应用示范和大量的稳定性测试、安全性测试及相关标准化研究，通过了光子数分离攻击、致盲攻击、时移攻击、波长依赖攻击和一些潜在的特洛伊木马攻击等安全性测试，结果表明“京沪干线”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻击方案，同时“京沪干线”网络的密钥分发量可以支持 1.2 万以上用户同时使用。

该天地一体化量子通信网络已经接入金融、电力、政务等 150 多家行业用户。2019 年年初，国家电网有限公司基于该网络，建立了跨越2 600km、从北京总公司至国家电网新疆电力有限公司的量子密钥分发信道，实现了电力通信数据加密传输，首次从工程上检验了星地量子通信开展实际业务的可行性。在天地一体化量子通信网络大量测试的结果及标准化研究的基础上，全球三大标准化组织之一国际标准化组织 /国际电工委员会（ISO/IEC）正在基于“京沪干线”的实践编制国际标准《量子密钥分发的安全要求、测试与评估方法》，另一国际组织国际电信联盟（ITU）也正基于“京沪干线”的建设模式起草可信中继安全要求等国际标准，并已发布量子密钥分发（QKD）网络功能架构标准。

这项工作发展的相关技术也为量子通信系统小型化、低成本、国产化奠定了基础，研究人员不断探索将光学地面站做得小型化、可移动，以此实现卫星与地面更灵活、更高效的对接。团队成功研制了质量约百千克的小型地面站，实现了小型地面站与“墨子号”的星地量子密钥分发实验，并和国际多个地面站进行了星地量子密钥分发实验，未来小型地面站有望进一步做到可单人搬运。同时，在保证密钥分发速率的前提下，已经成功研制几十千克的小型空间量子密钥分发载荷，这些成果也为形成卫星量子通信国际技术标准奠定了基础。

——摘自《星耀中国 我们的量子科学卫星》