中国构建全球首个星地量子通信网

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中国构建全球首个星地量子通信网在该领域实现了从跟跑到领跑的重大转变

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    新华社合肥1月7日电（记者徐海涛 刘方强）32年前，人类历史上首次量子通信在实验室诞生，传输了32厘米。而今，中国人将这个距离扩展了1400多万倍，实现了从地面到太空的多用户通信。中国科学技术大学7日宣布，中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发，标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网雏形。该成果已在英国《自然》杂志上刊发。

    量子通信是量子科技三大方向之一，经过20多年努力，中国在该领域实现了从跟跑到领跑的重大转变。2016年，中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”；2017年，建成世界首条量子保密通信干线“京沪干线”。

    “墨子号”牵手“京沪干线”，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、彭承志等与中科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，构建了全球首个星地量子通信网。经过两年多稳定性、安全性测试，实现了跨越4600公里的多用户量子密钥分发。

    “要实现广域量子通信，存在光子损耗、退相干等一系列技术难题，比如光子数在光纤里每传输约15公里就会损失一半，200公里后只剩万分之一。”潘建伟说，科研团队在光学系统等方面发展了多项先进技术，化解了这些难题。

    潘建伟介绍，《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”。

    据了解，整个网络覆盖我国四省三市32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，总距离4600公里，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。这也是全球首个集成量子通信网络。

    基于“不可分割”“不可克隆”等量子特性，量子通信被称为“原理上无条件安全”的通信方式，在多领域具有应用前景。星地量子通信网的建成，为未来实现覆盖全球的“量子网”奠定科技基础，也为相对论、引力波等科学研究，提供了前所未有的“天地实验室”。

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    我国已具备量子领域科技实力和创新能力

    近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。***总书记指出，加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。

    量子科技的潜力难以想象：量子通信理论上可做到绝对保密，量子计算让运算能力指数级增长，量子测量则将精度提升至“原子级”。

    当前，量子科技已是多国战略布局的重点。但很少有人知道，研究量子有多难。中科院院士王建宇比喻，实现量子卫星“天地实验”，“相当于人在万米高空，把硬币扔进地面的一个储钱罐”。

    英国《自然》杂志评价，中国在量子领域，“从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅”。

    我国科技工作者在量子科技上奋起直追，取得一批具有国际影响力的重大创新成果。总体上看，我国已经具备了在量子科技领域的科技实力和创新能力。

    120年前量子论诞生之时，中国只能做看客。而今，凭借一批科学家取得的多光子纠缠、量子反常霍尔效应、“墨子号”卫星等突破，中国已成为全球“第二次量子革命”的重要推动者与引领者。

    目前，量子科技处于从实验室迈向市场的关键期。我国量子科技发展存在不少短板，面临多重挑战。

    潘建伟认为，我国量子通信研究水平国际领先，量子计算与发达国家处于同一水平线，量子测量还有差距。“我们必须统筹创新要素，牢牢掌握创新和发展主动权！”

    据新华社电

    应用>>>

    生活中有哪些量子的存在

    生活中有哪些量子的存在？中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授举例说，量子力学实际上早就应用到日常生活中了，例如现在我们用的手机、电脑，它的原理就是量子力学。现在的手机、电脑是使用量子力学开发出来的经典技术，它们的核心装置是芯片，芯片里面的处理器基本单元是晶体管，晶体管是根据量子力学里面的能带理论制造出来的，晶体管造出来之后才有手机、计算机的芯片。还有当今互联网传输信号必须使用的激光，它是根据爱因斯坦的光量子辐射理论产生的，不过激光本身是经典的，它的量子效应很低，所以可以忽略。由此可知，现代的手机、电脑、互联网都是来源于量子力学开发的经典技术。

    真正的量子科技确实离广大民众还很远，因为还没有一种量子产品成为老百姓的必需品。

    郭光灿教授介绍，展望未来的话，如果通用量子计算机得到了广泛应用，那么各个行业，医疗、农业生产、工业生产、人工智能，整个***方方面面都会受到量子技术的影响，量子计算机能够超过电子计算机，密码领域量子通信可以提升传输的安全性，量子传感可以测量很多很重要的参数。

    医疗方面，我们生产新药物的速度会大大提高，这是因为新药制造需要计算机模拟哪个配方是最有效的，使用电子计算机模拟非常慢，但量子计算机很快就能计算出来，这就关系到老百姓的身体健康；人工智能方面，无人驾驶汽车传感器处理的速度会更快，性能就会提高；农业方面，量子计算机出来后，可以研究清楚光合作用是怎么回事，有科学家预言，如果这个应用研究成功了，太阳能的利用会从现有的10%提高到20%~30%，农业会出现跳跃式发展，全球老百姓的吃饭就不会有问题。

    未来，量子也会慢慢揭开神秘面纱，走入寻常百姓家。

    据科技日报

    量子通信网络架构和管理怎么进行

    比如，北京用户想要传输信息，计算机向密钥管理系统发送请求密钥的命令，并向路由器寻找经典信息传输的经典路径。密钥管理系统检查密钥是否足够。

    如果是，那就将密钥发送到计算机；否则，它将向量子系统服务器发送生成更多密钥的命令。

    量子系统服务器将命令发送至量子控制系统，找到最佳的密钥生成路径，发送生成密钥的命令。密钥在量子物理层中生成，储存在量子管理系统。使用密钥对消息进行编码或解码之后，信息可以安全地传输给上海的用户。

    我国量子通信

    重大进展里程碑

    2003年

    潘建伟提出“卫星量子通信”这一国际上没有先例的设想。

    2011年12月

    “墨子号”量子科学实验卫星项目立项。

    2016年8月

    “墨子号”量子科学实验卫星发射成功，成为全球首颗用于进行量子科学实验的卫星。

    2017年6月

    “墨子号”实现了全球首次千公里级地星双向量子纠缠分发，截至同年8月，在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发、星地高速量子密钥分发、地星量子隐形传态三大科学目标。

    2017年9月

    中国首条量子保密通信骨干网“京沪干线”正式开通，实现世界首次洲际量子保密通信。干线连接北京、上海，贯穿济南和合肥，全长2000余公里。

    2018年

    结合京沪干线和“墨子号”卫星，中国和奥地利科学家实现了7600公里的洲际量子保密通信。

    2019年

    “墨子号”率先开展量子纠缠退相干实验检验。

    2020年6月

    基于“墨子号”，潘建伟团队首次实现1120公里长距离无中继纠缠量子密钥分发。

    2021年

    中国构建全球首个星地量子通信网，全长4600公里。

    下一步

    潘建伟教授说，量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。

    来源/新华社 科技日报

    制图/方磊