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    我國構(gòu)建全球首個(gè)天地一體化量子通信網(wǎng) 闖出科創(chuàng)“無人區(qū)”

    極客網(wǎng)·極客要聞1月11日 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所等單位合作,在量子保密通信京滬干線與“墨子號”量子衛(wèi)星成功對接的基礎(chǔ)上,成功組建了世界上首個(gè)天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍從北京到上海,并通過衛(wèi)星連接到了烏魯木齊。

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    近日,這一成果有關(guān)論文在國際學(xué)術(shù)期刊Nature雜志上以“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”為題發(fā)表。論文中提到,這項(xiàng)工作表明量子技術(shù)成熟到了足以實(shí)用的地步,能夠通過地面光纖及衛(wèi)星將更多國家量子網(wǎng)絡(luò)連接起來,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球量子網(wǎng)絡(luò)。

    量子通信是一種未來科技,是全世界都在爭相研究的前沿與焦點(diǎn)領(lǐng)域。此次成果的取得,意味著在量子通信的領(lǐng)域,中國可以很驕傲地說,我們正處于世界領(lǐng)先的地位。

    什么是量子通信網(wǎng)

    量子通信的原理不難理解,它主要是通過量子密鑰分發(fā)來確保通信的安全性。簡單來說,量子密鑰就是將一串二進(jìn)制數(shù)字串加載到光子量子態(tài)上。當(dāng)處于不同地區(qū)的兩組用戶希望進(jìn)行通信時(shí),他們會(huì)生成并安全共享一組量子密鑰,通過這種方式對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密和解密。

    與傳統(tǒng)的通信方式相比,量子通信有著極高的安全性。這是由量子不可克隆定理決定的。由于任何的量子態(tài)都無法被完美復(fù)制,所以所有的對量子觀測、測量的過程都會(huì)對量子態(tài)造成破壞,繼而產(chǎn)生較高的誤碼率。這意味著如果有人企圖竊聽或讀取量子密鑰都會(huì)被通信雙方察覺,這也使得信息傳輸?shù)陌踩阅軌虮槐WC。

    按通信信道的不同,量子密鑰分發(fā)主要分為光纖和自由空間兩種實(shí)現(xiàn)方式。前一種實(shí)現(xiàn)方式具有較好的穩(wěn)定性,不易受到溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響。而后一種方式更適用于在超遠(yuǎn)距離、移動(dòng)目標(biāo)、島嶼和駐外機(jī)構(gòu)等光纖資源受限的場景,具體是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道連接達(dá)成的。

    通過兩種方式的優(yōu)勢互補(bǔ)與結(jié)合,量子通信的范圍得以向更大范圍延伸,可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、全覆蓋的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò),也就是所謂的天地一體化量子通信網(wǎng)。

    據(jù)了解,整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋了北京、濟(jì)南、合肥和上海四個(gè)量子城域網(wǎng),由一條“京滬干線”連接起來,并有兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號”衛(wèi)星相連。其中,干線長2000公里,衛(wèi)星地面站相距2600公里,這意味著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶可以實(shí)現(xiàn)最長達(dá)到4600公里的量子通信。 

    量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景

    關(guān)于量子通信技術(shù)未來的應(yīng)用前景,潘建偉教授曾經(jīng)提到,盡管量子通信是一個(gè)新興領(lǐng)域,但它并不會(huì)取代我們目前現(xiàn)有的通信方式;相反,考慮到量子通信具有極為可靠的保密性,該技術(shù)將以一種新的途徑來提高現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性,實(shí)現(xiàn)無條件的保密通信,抵御黑客攻擊,保護(hù)用戶的信息安全。有了量子通信技術(shù),國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的信息安全問題都能從根本上被解決。因此,量子通信技術(shù)被視為保障未來信息社會(huì)通信安全的重要基礎(chǔ)技術(shù),有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景。

    潘建偉教授曾舉出了一些具體的例子來說明量子通信技術(shù)的重要性。他表示,“信息安全不僅對國家很重要,對個(gè)人來說也是非常重要的。比如每天銀行的轉(zhuǎn)款、銀行的賬戶信息、密碼都是不能泄露的;無人駕駛的時(shí)候,遠(yuǎn)程控制汽車系統(tǒng)要盡可能防止被黑客攻擊,不然車輛行駛的安全就得不到保證。量子通信在原理上可以提供一種無條件安全通信的手段,可以在未來大幅度提升信息安全的水平?!?/p>

    對抗量子攻擊是量子通信網(wǎng)需要克服的一大難題。建成后,研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展了長達(dá)兩年多的研究,通過模擬光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時(shí)移攻擊、波長依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊來進(jìn)行測試,對“京滬干線”的穩(wěn)定性與安全性做出了驗(yàn)證。結(jié)果表明該干線可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案。同時(shí)京滬干線網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬以上用戶同時(shí)使用。

    目前,星地量子通信網(wǎng)已經(jīng)接入包括金融、電力、政務(wù)等多個(gè)行業(yè)的150多家用戶。該網(wǎng)絡(luò)有著極高的平均成碼率,可達(dá)47.8千比特每秒,比2017年時(shí)借助“墨子號”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的1200千米距離內(nèi)的量子通信的平均成碼率高出四十余倍。

    引領(lǐng)世界的量子通信技術(shù)

    此次里程碑式的突破的背后,是中國量子科技領(lǐng)域科研人員長達(dá)十幾年來不斷的努力?!澳犹枴绷孔涌茖W(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目于2011年12月立項(xiàng),京滬干線項(xiàng)目于2013年7月立項(xiàng),在近十年的時(shí)間里,中國的量子通信從跟跑、并跑,再到領(lǐng)跑,最后步入科技“無人區(qū)”,成為引領(lǐng)者,這個(gè)過程離不開腳踏實(shí)地、勇于創(chuàng)新、不畏困難、不急功近利的科研工作者的持續(xù)付出。

    我國在量子信息科技領(lǐng)域的一系列成果具有重要的國際影響力,對世界范圍內(nèi)量子科技的發(fā)展也有著強(qiáng)大的推動(dòng)作用。目前,歐美等國也陸續(xù)加快推進(jìn)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作。

    2020年,美國提出要在未來5年展示實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù);另一邊,歐盟也表示希望在三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)全球范圍的量子安全密鑰分發(fā),并用6-10年的時(shí)間使用量子中繼器在光纖上實(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通信。正如世界知名科學(xué)刊物評價(jià)的:“國際同行們正在努力追趕中國,中國現(xiàn)在顯然是衛(wèi)星量子通信的世界領(lǐng)導(dǎo)者”。

    而關(guān)于我國量子科技的未來,潘建偉教授提到,量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。據(jù)中科大官方報(bào)道,接下來,潘建偉團(tuán)隊(duì)將與多國團(tuán)隊(duì)合作,進(jìn)一步擴(kuò)大在中國的網(wǎng)絡(luò),并致力于開發(fā)小型、經(jīng)濟(jì)高效的量子密鑰分發(fā)衛(wèi)星和地面接收器,以實(shí)現(xiàn)萬公里級的量子密鑰分發(fā)。

    隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用范圍的持續(xù)擴(kuò)大,在未來,量子通信技術(shù)還會(huì)有著更廣泛的實(shí)際應(yīng)用。


    極客網(wǎng)企業(yè)會(huì)員

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    2021-01-11
    我國構(gòu)建全球首個(gè)天地一體化量子通信網(wǎng) 闖出科創(chuàng)“無人區(qū)”
    量子通信是一種未來科技,是全世界都在爭相研究的前沿與焦點(diǎn)領(lǐng)域。此次成果的取得,意味著在量子通信的領(lǐng)域,中國可以很驕傲地說,我們正處于世界領(lǐng)先的地位。

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