會(huì)員登錄
◆全球首套小型化可移動(dòng)量子衛(wèi)星地面站
◆三英寸近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體
◆波導(dǎo)芯片實(shí)驗(yàn)室的百級(jí)黃光區(qū)
◆全球首款使用量子密鑰的商用安全加密手機(jī)
量子保密通信電話設(shè)備
日前，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了我國(guó)在量子科技領(lǐng)域的又一大成就——跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)。
這篇論文的發(fā)表，證明了廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的條件已初步成熟。我國(guó)科研人員構(gòu)建的天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)初具雛形，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
地面跨度4600千米、多用戶量子密鑰分發(fā)(QKD)、長(zhǎng)達(dá)兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)化研究，以及在政務(wù)、金融、電力等不同領(lǐng)域的應(yīng)用示范——搭建這張龐大的“未來(lái)工程”網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備儀器，不再是實(shí)驗(yàn)室里僅僅滿足實(shí)驗(yàn)需求的產(chǎn)品，而必須是穩(wěn)定可靠、滿足業(yè)務(wù)運(yùn)行要求、可批量生產(chǎn)的工業(yè)化產(chǎn)品。
這些設(shè)備產(chǎn)品是如何在短短數(shù)年內(nèi)，從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的？日前，記者走訪濟(jì)南量子技術(shù)研究院，探尋我國(guó)的量子保密通信技術(shù)與產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化之路。
籌謀未來(lái)工程，十年布局讓產(chǎn)業(yè)落地
發(fā)表在《自然》上的論文，是對(duì)我國(guó)十幾年來(lái)量子通信技術(shù)發(fā)展的一次系統(tǒng)性總結(jié)。論文審稿人評(píng)價(jià)它是“地球上最大、最先進(jìn)的QKD網(wǎng)絡(luò)”，將其形容成“大型未來(lái)工程”。
目前，天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)包括北京、濟(jì)南、上海、合肥四個(gè)光纖量子城域網(wǎng)、一條“京滬干線”，以及連接興隆、南山兩個(gè)地面站的星地鏈路。其中，干線長(zhǎng)2000公里，兩個(gè)衛(wèi)星地面站相距2600公里。
按通信信道的不同，量子密鑰分發(fā)主要有光纖和自由空間兩種實(shí)現(xiàn)方式。光纖QKD技術(shù)的信道穩(wěn)定性較好，不易受溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，可實(shí)現(xiàn)基本恒定的安全碼率，在城域城際范圍內(nèi)能方便地連接到千家萬(wàn)戶。而超遠(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(chǎng)景，則可通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道連接。
因此，將地面光纖和自由空間結(jié)合，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)。廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線，就是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鄰近城市間的連接、通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域間的連接。
就在32年前，人類歷史上首次量子通信在實(shí)驗(yàn)室誕生，傳輸了僅僅32厘米。32年之后，量子保密通信何以如此迅速走向工程實(shí)踐？早在2009年，我國(guó)量子科技領(lǐng)軍人物、中國(guó)科技大學(xué)教授潘建偉就開(kāi)始籌謀量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化之路。
2001年，潘建偉回國(guó)在中國(guó)科大組建實(shí)驗(yàn)室，2004年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏及終端開(kāi)放的量子隱形傳態(tài)。這是國(guó)內(nèi)量子信息研究領(lǐng)域第一篇發(fā)表在《自然》上的論文，也標(biāo)志著中國(guó)在多光子糾纏操縱方面的工作，已成功躍居國(guó)際領(lǐng)先水平。
當(dāng)科研逐漸從“跟跑” “并跑”走向“領(lǐng)跑”,潘建偉團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始意識(shí)到,真正有應(yīng)用價(jià)值的量子科技,需要多方面技術(shù)的綜合集成,并且達(dá)到工程化的實(shí)用水平。
2009年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子通信團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司，邁出了量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的第一步。2010年，山東省與中國(guó)科大簽訂協(xié)議，引進(jìn)國(guó)盾量子團(tuán)隊(duì)，投入大量資金支持量子通信產(chǎn)業(yè)落地。2011年5月，濟(jì)南量子技術(shù)研究院成立，主要開(kāi)展量子科學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為量子科研成果轉(zhuǎn)化提供技術(shù)支撐，并承擔(dān)組織建設(shè)量子科技公共研發(fā)平臺(tái)、建設(shè)量子保密通信試驗(yàn)網(wǎng)等任務(wù)。
自此，潘建偉團(tuán)隊(duì)基本奠定了合肥—上?！獫?jì)南的三元發(fā)展態(tài)勢(shì)，分別以基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化為主要任務(wù)，形成從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)的聯(lián)動(dòng)發(fā)展態(tài)勢(shì)。
有了產(chǎn)業(yè)化的支撐，我國(guó)量子通信開(kāi)始了腳踏實(shí)地的發(fā)展。2011年12月，作為中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星立項(xiàng)；2013年7月，“京滬干線”項(xiàng)目立項(xiàng)。一邊突破前沿關(guān)鍵技術(shù)，一邊技術(shù)落地轉(zhuǎn)化成設(shè)備與產(chǎn)品，不斷提升產(chǎn)品穩(wěn)定性、安全性，這為我國(guó)搭建起世界首個(gè)天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
突破硬核技術(shù)，讓光子順暢“奔跑”
在中國(guó)科大上海研究院有一個(gè)展示大廳，屏幕上滾動(dòng)顯示著“京滬干線”覆蓋四省三市共32個(gè)節(jié)點(diǎn)的示意圖。這是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線。
“這條干線上，有不少設(shè)備就來(lái)自濟(jì)南的量子通信產(chǎn)業(yè)化基地?！鄙頌闈?jì)南量子技術(shù)研究院執(zhí)行院長(zhǎng)，張強(qiáng)在上海研究院的時(shí)間也不少，因?yàn)闈?jì)南有很多技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化源頭出自上海研究院。
由張強(qiáng)所負(fù)責(zé)的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)芯片研制平臺(tái)，就設(shè)在濟(jì)南量子院。目前，這一平臺(tái)是世界前三、中國(guó)大陸唯一掌握逆向質(zhì)子交換鈮酸鋰波導(dǎo)技術(shù)的研發(fā)機(jī)構(gòu)，已實(shí)現(xiàn)周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)芯片的完全自主化、國(guó)產(chǎn)化、量產(chǎn)化,芯片相關(guān)技術(shù)參數(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
“鈮酸鋰是一種很好的光信號(hào)調(diào)制材料，用它做成的波導(dǎo)芯片，是量子通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的核心器件之一。”張強(qiáng)打了個(gè)比方，這就好比龐大的電網(wǎng)需要大大小小的變壓器，才能使得發(fā)電廠的電力順暢輸送到大城小村的每個(gè)角落，光信號(hào)在傳輸過(guò)程中，同樣需要變換頻率，來(lái)確保信息的高效率傳輸。比如，自由空間光通信的頻率和光纖通信的頻率就不一致，來(lái)自衛(wèi)星的光信號(hào) “落地”之后，必須變換頻率，才能在光纖中繼續(xù)“奔跑”，而波導(dǎo)芯片就是承擔(dān)這一重要任務(wù)的。
“我們已基本建立起了鈮酸鋰波導(dǎo)芯片的全產(chǎn)業(yè)鏈條，覆蓋從鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)到集成化多通道量子頻率轉(zhuǎn)換芯片多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而且，我們?cè)谠撔酒A(chǔ)上，通過(guò)國(guó)際合作，研制出了多種單光子探測(cè)器?！睆垙?qiáng)介紹，新研制的單光子探測(cè)器效率已經(jīng)比“墨子號(hào)”中所使用的有了大幅提升，未來(lái)效率還可進(jìn)一步提升。
值得一提的是，圍繞波導(dǎo)芯片，相關(guān)上下游企業(yè)已經(jīng)在濟(jì)南量子技術(shù)研究院周圍，初步形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，不少激光相關(guān)企業(yè)已經(jīng)與研究院建立了合作關(guān)系。
根據(jù)潘建偉的設(shè)想，在 “墨子號(hào)”之后，還將研制地球靜止軌道量子通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)白天量子通信，乃至構(gòu)建“量子星座”。目前，濟(jì)南量子院與中國(guó)科大已經(jīng)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了白天遠(yuǎn)距離自由空間量子密鑰分發(fā)，通過(guò)地基實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了日光條件下星間和星地之間量子密鑰分發(fā)的可行性。這為未來(lái)構(gòu)建基于量子衛(wèi)星的星地、星間量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。
在濟(jì)南量子技術(shù)研究院的頂樓天臺(tái)，架設(shè)有一臺(tái)小型量子通信地面接收站。在目前的天地一體化量子通信網(wǎng)中，用來(lái)與“墨子號(hào)”建立星地鏈路的，是兩個(gè)體型龐大的地面接收站。而未來(lái)，這種重量?jī)H在百公斤左右的小型地面站，將會(huì)逐漸成為主流。
濟(jì)南量子技術(shù)研究院副院長(zhǎng)周飛介紹，這是全球首套小型化可移動(dòng)量子衛(wèi)星地面站，已與“墨子號(hào)”成功完成了星地對(duì)接。目前，此類可移動(dòng)小型地面站已和國(guó)際上多個(gè)地面站進(jìn)行了星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，未來(lái)有望進(jìn)一步做到可單人搬運(yùn)。同時(shí)，在保證密鑰分發(fā)速率的前提下，團(tuán)隊(duì)還成功研制出了幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發(fā)載荷，這些成果也為形成衛(wèi)星量子通信國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。
在《自然》這篇關(guān)于量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的總結(jié)性論文中提到，這張網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)兩年多的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用示范以及大量的穩(wěn)定性測(cè)試、安全性測(cè)試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究，通過(guò)了光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時(shí)移攻擊、波長(zhǎng)依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測(cè)試，結(jié)果表明“京滬干線”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案。
濟(jì)南量子技術(shù)研究院正在建設(shè)一個(gè)量子保密通信攻防平臺(tái)?！熬W(wǎng)上對(duì)于量子通信安全性的質(zhì)疑很多，但真正跑來(lái)‘打擂臺(tái)’的還非常少，專業(yè)團(tuán)隊(duì)就更少?！敝茱w介紹，多年來(lái)，濟(jì)南量子院也一直致力于量子通信安全的基礎(chǔ)研究，在國(guó)際上開(kāi)創(chuàng)性地發(fā)展了“測(cè)量器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)”理論和“雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)”理論，分別支撐實(shí)現(xiàn)了404公里和509公里量子保密通信世界紀(jì)錄。
飛入尋常百姓家，為量子通信“立標(biāo)準(zhǔn)”
從2009年開(kāi)始推動(dòng)量子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，到如今已有150多家行業(yè)用戶接入，天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。據(jù)介紹，目前京滬干線網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬(wàn)以上用戶同時(shí)使用。
在廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形已基本形成的基礎(chǔ)上，未來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已是相當(dāng)清晰的發(fā)展趨勢(shì)。隨著骨干網(wǎng)的擴(kuò)展，這張?zhí)斓匾惑w化量子通信網(wǎng)絡(luò)還將形成更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，今后將有可能在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建國(guó)家地基授時(shí)網(wǎng)絡(luò)，為定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)提供保障。
如何讓量子保密通信能夠進(jìn)入尋常百姓家，一直是研發(fā)團(tuán)隊(duì)關(guān)注焦點(diǎn)之一。2017年，國(guó)盾量子就與中興合作，推出了全球首款使用量子密鑰的商用安全加密手機(jī)。這種手機(jī)采用特制的SIM卡，將量子密鑰充入手機(jī)中。不過(guò)，目前此款手機(jī)還不能隨時(shí)接收量子密鑰，只能使用存儲(chǔ)在SIM卡中的密鑰，來(lái)建立量子保密通信的鏈路。密鑰消耗完之后，就必須重新“充”入新一批密鑰，方能繼續(xù)使用。不久之后，此類手機(jī)也將實(shí)現(xiàn)“多卡合一” “多號(hào)合一”模式，未來(lái)借助天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)等新基建設(shè)施,實(shí)現(xiàn)有線和無(wú)線之間的互聯(lián)互通。
周飛認(rèn)為，未來(lái)或許每棟建筑都可能會(huì)預(yù)留出量子通信的信道接口，一幢大樓只需放置一臺(tái)量子加密機(jī)，就能為所有用戶提供密碼接收服務(wù)。
不過(guò)，要將這些夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，關(guān)鍵就在于建立標(biāo)準(zhǔn)。目前，在天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)大量測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化研究的基礎(chǔ)上，全球三大標(biāo)準(zhǔn)化組織之一ISO/IEC正在基于京滬干線的實(shí)踐編制國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《QKD安全要求、測(cè)試與評(píng)估方法》，另一國(guó)際組織ITU也正基于京滬干線的建設(shè)模式起草可信中繼安全要求、QKD網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
在標(biāo)準(zhǔn)建立的過(guò)程中，濟(jì)南量子技術(shù)研究院承擔(dān)著其中的大量工作?！白屃孔涌萍寂c行業(yè)發(fā)展結(jié)合，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、金融等領(lǐng)域，一定可以產(chǎn)生大量新業(yè)態(tài)、新模式。”周飛相信，量子科技所帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)革命，必將會(huì)釋放出難以想象的巨大能量，給人類社會(huì)發(fā)展帶來(lái)新紀(jì)元。
關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥(niǎo)知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥(niǎo)相關(guān)科普知識(shí)
??????
?????? 日前，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了我國(guó)在量子科技領(lǐng)域的又一大成就——跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)。
??????
?????? 這篇論文的發(fā)表，證明了廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的條件已初步成熟。我國(guó)科研人員構(gòu)建的天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)初具雛形，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
??????
?????? 地面跨度4600千米、多用戶量子密鑰分發(fā)(QKD)、長(zhǎng)達(dá)兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)化研究，以及在政務(wù)、金融、電力等不同領(lǐng)域的應(yīng)用示范——搭建這張龐大的“未來(lái)工程”網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備儀器，不再是實(shí)驗(yàn)室里僅僅滿足實(shí)驗(yàn)需求的產(chǎn)品，而必須是穩(wěn)定可靠、滿足業(yè)務(wù)運(yùn)行要求、可批量生產(chǎn)的工業(yè)化產(chǎn)品。
??????
?????? 這些設(shè)備產(chǎn)品是如何在短短數(shù)年內(nèi)，從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的？日前，記者走訪濟(jì)南量子技術(shù)研究院，探尋我國(guó)的量子保密通信技術(shù)與產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化之路。
??????
?????? 籌謀未來(lái)工程，十年布局讓產(chǎn)業(yè)落地
??????
?????? 發(fā)表在《自然》上的論文，是對(duì)我國(guó)十幾年來(lái)量子通信技術(shù)發(fā)展的一次系統(tǒng)性總結(jié)。論文審稿人評(píng)價(jià)它是“地球上最大、最先進(jìn)的QKD網(wǎng)絡(luò)”，將其形容成“大型未來(lái)工程”。
??????
?????? 目前，天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)包括北京、濟(jì)南、上海、合肥四個(gè)光纖量子城域網(wǎng)、一條“京滬干線”，以及連接興隆、南山兩個(gè)地面站的星地鏈路。其中，干線長(zhǎng)2000公里，兩個(gè)衛(wèi)星地面站相距2600公里。
??????
?????? 按通信信道的不同，量子密鑰分發(fā)主要有光纖和自由空間兩種實(shí)現(xiàn)方式。光纖QKD技術(shù)的信道穩(wěn)定性較好，不易受溫度、濕度、天氣等環(huán)境因素影響，可實(shí)現(xiàn)基本恒定的安全碼率，在城域城際范圍內(nèi)能方便地連接到千家萬(wàn)戶。而超遠(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(chǎng)景，則可通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的自由空間信道連接。
??????
?????? 因此，將地面光纖和自由空間結(jié)合，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)。廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線，就是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鄰近城市間的連接、通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域間的連接。
??????
?????? 就在32年前，人類歷史上首次量子通信在實(shí)驗(yàn)室誕生，傳輸了僅僅32厘米。32年之后，量子保密通信何以如此迅速走向工程實(shí)踐？早在2009年，我國(guó)量子科技領(lǐng)軍人物、中國(guó)科技大學(xué)教授潘建偉就開(kāi)始籌謀量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化之路。
??????
?????? 2001年，潘建偉回國(guó)在中國(guó)科大組建實(shí)驗(yàn)室，2004年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏及終端開(kāi)放的量子隱形傳態(tài)。這是國(guó)內(nèi)量子信息研究領(lǐng)域第一篇發(fā)表在《自然》上的論文，也標(biāo)志著中國(guó)在多光子糾纏操縱方面的工作，已成功躍居國(guó)際領(lǐng)先水平。
??????
?????? 當(dāng)科研逐漸從“跟跑” “并跑”走向“領(lǐng)跑”,潘建偉團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始意識(shí)到,真正有應(yīng)用價(jià)值的量子科技,需要多方面技術(shù)的綜合集成,并且達(dá)到工程化的實(shí)用水平。
??????
?????? 2009年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子通信團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司，邁出了量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的第一步。2010年，山東省與中國(guó)科大簽訂協(xié)議，引進(jìn)國(guó)盾量子團(tuán)隊(duì)，投入大量資金支持量子通信產(chǎn)業(yè)落地。2011年5月，濟(jì)南量子技術(shù)研究院成立，主要開(kāi)展量子科學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為量子科研成果轉(zhuǎn)化提供技術(shù)支撐，并承擔(dān)組織建設(shè)量子科技公共研發(fā)平臺(tái)、建設(shè)量子保密通信試驗(yàn)網(wǎng)等任務(wù)。
??????
?????? 自此，潘建偉團(tuán)隊(duì)基本奠定了合肥—上?！獫?jì)南的三元發(fā)展態(tài)勢(shì)，分別以基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化為主要任務(wù)，形成從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)的聯(lián)動(dòng)發(fā)展態(tài)勢(shì)。
??????
?????? 有了產(chǎn)業(yè)化的支撐，我國(guó)量子通信開(kāi)始了腳踏實(shí)地的發(fā)展。2011年12月，作為中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星立項(xiàng)；2013年7月，“京滬干線”項(xiàng)目立項(xiàng)。一邊突破前沿關(guān)鍵技術(shù)，一邊技術(shù)落地轉(zhuǎn)化成設(shè)備與產(chǎn)品，不斷提升產(chǎn)品穩(wěn)定性、安全性，這為我國(guó)搭建起世界首個(gè)天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
??????
?????? 突破硬核技術(shù)，讓光子順暢“奔跑”
??????
?????? 在中國(guó)科大上海研究院有一個(gè)展示大廳，屏幕上滾動(dòng)顯示著“京滬干線”覆蓋四省三市共32個(gè)節(jié)點(diǎn)的示意圖。這是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線。
??????
?????? “這條干線上，有不少設(shè)備就來(lái)自濟(jì)南的量子通信產(chǎn)業(yè)化基地。”身為濟(jì)南量子技術(shù)研究院執(zhí)行院長(zhǎng)，張強(qiáng)在上海研究院的時(shí)間也不少，因?yàn)闈?jì)南有很多技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化源頭出自上海研究院。
??????
?????? 由張強(qiáng)所負(fù)責(zé)的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)芯片研制平臺(tái)，就設(shè)在濟(jì)南量子院。目前，這一平臺(tái)是世界前三、中國(guó)大陸唯一掌握逆向質(zhì)子交換鈮酸鋰波導(dǎo)技術(shù)的研發(fā)機(jī)構(gòu)，已實(shí)現(xiàn)周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)芯片的完全自主化、國(guó)產(chǎn)化、量產(chǎn)化,芯片相關(guān)技術(shù)參數(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
??????
?????? “鈮酸鋰是一種很好的光信號(hào)調(diào)制材料，用它做成的波導(dǎo)芯片，是量子通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的核心器件之一?！睆垙?qiáng)打了個(gè)比方，這就好比龐大的電網(wǎng)需要大大小小的變壓器，才能使得發(fā)電廠的電力順暢輸送到大城小村的每個(gè)角落，光信號(hào)在傳輸過(guò)程中，同樣需要變換頻率，來(lái)確保信息的高效率傳輸。比如，自由空間光通信的頻率和光纖通信的頻率就不一致，來(lái)自衛(wèi)星的光信號(hào) “落地”之后，必須變換頻率，才能在光纖中繼續(xù)“奔跑”，而波導(dǎo)芯片就是承擔(dān)這一重要任務(wù)的。
??????
?????? “我們已基本建立起了鈮酸鋰波導(dǎo)芯片的全產(chǎn)業(yè)鏈條，覆蓋從鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)到集成化多通道量子頻率轉(zhuǎn)換芯片多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而且，我們?cè)谠撔酒A(chǔ)上，通過(guò)國(guó)際合作，研制出了多種單光子探測(cè)器。”張強(qiáng)介紹，新研制的單光子探測(cè)器效率已經(jīng)比“墨子號(hào)”中所使用的有了大幅提升，未來(lái)效率還可進(jìn)一步提升。
??????
?????? 值得一提的是，圍繞波導(dǎo)芯片，相關(guān)上下游企業(yè)已經(jīng)在濟(jì)南量子技術(shù)研究院周圍，初步形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，不少激光相關(guān)企業(yè)已經(jīng)與研究院建立了合作關(guān)系。
??????
?????? 根據(jù)潘建偉的設(shè)想，在 “墨子號(hào)”之后，還將研制地球靜止軌道量子通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)白天量子通信，乃至構(gòu)建“量子星座”。目前，濟(jì)南量子院與中國(guó)科大已經(jīng)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了白天遠(yuǎn)距離自由空間量子密鑰分發(fā)，通過(guò)地基實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了日光條件下星間和星地之間量子密鑰分發(fā)的可行性。這為未來(lái)構(gòu)建基于量子衛(wèi)星的星地、星間量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。
??????
?????? 在濟(jì)南量子技術(shù)研究院的頂樓天臺(tái)，架設(shè)有一臺(tái)小型量子通信地面接收站。在目前的天地一體化量子通信網(wǎng)中，用來(lái)與“墨子號(hào)”建立星地鏈路的，是兩個(gè)體型龐大的地面接收站。而未來(lái)，這種重量?jī)H在百公斤左右的小型地面站，將會(huì)逐漸成為主流。
??????
?????? 濟(jì)南量子技術(shù)研究院副院長(zhǎng)周飛介紹，這是全球首套小型化可移動(dòng)量子衛(wèi)星地面站，已與“墨子號(hào)”成功完成了星地對(duì)接。目前，此類可移動(dòng)小型地面站已和國(guó)際上多個(gè)地面站進(jìn)行了星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，未來(lái)有望進(jìn)一步做到可單人搬運(yùn)。同時(shí)，在保證密鑰分發(fā)速率的前提下，團(tuán)隊(duì)還成功研制出了幾十公斤的小型化空間量子密鑰分發(fā)載荷，這些成果也為形成衛(wèi)星量子通信國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。
??????
?????? 在《自然》這篇關(guān)于量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的總結(jié)性論文中提到，這張網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)兩年多的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用示范以及大量的穩(wěn)定性測(cè)試、安全性測(cè)試及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究，通過(guò)了光子數(shù)分離攻擊、致盲攻擊、時(shí)移攻擊、波長(zhǎng)依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測(cè)試，結(jié)果表明“京滬干線”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊方案。
??????
?????? 濟(jì)南量子技術(shù)研究院正在建設(shè)一個(gè)量子保密通信攻防平臺(tái)。“網(wǎng)上對(duì)于量子通信安全性的質(zhì)疑很多，但真正跑來(lái)‘打擂臺(tái)’的還非常少，專業(yè)團(tuán)隊(duì)就更少?！敝茱w介紹，多年來(lái)，濟(jì)南量子院也一直致力于量子通信安全的基礎(chǔ)研究，在國(guó)際上開(kāi)創(chuàng)性地發(fā)展了“測(cè)量器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)”理論和“雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)”理論，分別支撐實(shí)現(xiàn)了404公里和509公里量子保密通信世界紀(jì)錄。
??????
?????? 飛入尋常百姓家，為量子通信“立標(biāo)準(zhǔn)”
??????
?????? 從2009年開(kāi)始推動(dòng)量子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，到如今已有150多家行業(yè)用戶接入，天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。據(jù)介紹，目前京滬干線網(wǎng)絡(luò)的密鑰分發(fā)量可以支持1.2萬(wàn)以上用戶同時(shí)使用。
??????
?????? 在廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形已基本形成的基礎(chǔ)上，未來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已是相當(dāng)清晰的發(fā)展趨勢(shì)。隨著骨干網(wǎng)的擴(kuò)展，這張?zhí)斓匾惑w化量子通信網(wǎng)絡(luò)還將形成更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，今后將有可能在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建國(guó)家地基授時(shí)網(wǎng)絡(luò)，為定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)提供保障。
??????
?????? 如何讓量子保密通信能夠進(jìn)入尋常百姓家，一直是研發(fā)團(tuán)隊(duì)關(guān)注焦點(diǎn)之一。2017年，國(guó)盾量子就與中興合作，推出了全球首款使用量子密鑰的商用安全加密手機(jī)。這種手機(jī)采用特制的SIM卡，將量子密鑰充入手機(jī)中。不過(guò)，目前此款手機(jī)還不能隨時(shí)接收量子密鑰，只能使用存儲(chǔ)在SIM卡中的密鑰，來(lái)建立量子保密通信的鏈路。密鑰消耗完之后，就必須重新“充”入新一批密鑰，方能繼續(xù)使用。不久之后，此類手機(jī)也將實(shí)現(xiàn)“多卡合一” “多號(hào)合一”模式，未來(lái)借助天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)等新基建設(shè)施,實(shí)現(xiàn)有線和無(wú)線之間的互聯(lián)互通。
??????
?????? 周飛認(rèn)為，未來(lái)或許每棟建筑都可能會(huì)預(yù)留出量子通信的信道接口，一幢大樓只需放置一臺(tái)量子加密機(jī)，就能為所有用戶提供密碼接收服務(wù)。
??????
?????? 不過(guò)，要將這些夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，關(guān)鍵就在于建立標(biāo)準(zhǔn)。目前，在天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)大量測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化研究的基礎(chǔ)上，全球三大標(biāo)準(zhǔn)化組織之一ISO/IEC正在基于京滬干線的實(shí)踐編制國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《QKD安全要求、測(cè)試與評(píng)估方法》，另一國(guó)際組織ITU也正基于京滬干線的建設(shè)模式起草可信中繼安全要求、QKD網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
??????
?????? 在標(biāo)準(zhǔn)建立的過(guò)程中，濟(jì)南量子技術(shù)研究院承擔(dān)著其中的大量工作?！白屃孔涌萍寂c行業(yè)發(fā)展結(jié)合，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、金融等領(lǐng)域，一定可以產(chǎn)生大量新業(yè)態(tài)、新模式?！敝茱w相信，量子科技所帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)革命，必將會(huì)釋放出難以想象的巨大能量，給人類社會(huì)發(fā)展帶來(lái)新紀(jì)元。
