北京量子信息科学研究院袁之良团队首创量子密钥分发开放式新架构，采用光频梳技术，成功实现615公里光纤量子通信。该架构在确保量子通信安全性的同时，能大幅降低系统建设成本，为我国建设多节点广域量子网络奠定基矗相关成果日前发表于国际学术期刊《自然-通讯》。
什么是量子通信
量子通信是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式，基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供了无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证，主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。
量子隐形传态基于量子纠缠对分发与贝尔态联合测量，实现量子态的信息传输，其中量子态信息的测量和确定仍需要现有通信技术的辅助。量子隐形传态中的纠缠对制备、分发和测量等关键技术有待突破，处于理论研究和实验探索阶段，距离实用化尚有较大差距。
量子密钥分发，也称量子密码，借助量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享，再通过一次一密的对称加密体制，即通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加解密操作，实现无条件绝对安全的保密通信。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信领域理论和应用研究的热点。
安全是量子通信的最大特征
作为量子通信的主要方式之一，量子密钥分发基于量子的不可测量性、不可克隆性，借助“一次一密”的加密方式，为量子通信上了一把“安全锁”。“双场”是目前所有量子密钥分发协议中，最适合远距离传输的一种。
据袁之良介绍，双场架构下量子通信，需要相距遥远的两个独立激光源各自发出“信号”。如果激光源发射的“信号”频率不同，就会出现传输中的“信号”失误。想要避免“信号”失误，就需要一个能实现两端“信号”频率相同的“工具”：服务光纤。这意味着通信两端之间还需额外架设“一条路”，这也就构成了由“两条路”构成的传统架构。
图a为传统闭合光纤架构。图b为中国科学家袁之良团队首创的开放式架构，能够在确保量子通信安全性的同时降低系统建设成本。（受访者制图）
“传统架构，意味着搭建双倍长度的光纤，成本高且结构复杂，系统运行维护起来贵且困难，不利于未来多节点广域量子保密网络的建设。”袁之良说。
我国科学家首创的新架构新在何处？
北京量子信息科学研究院光量子通信与器件团队成员周来打了一个比方：“如果想要在北京、青岛两地之间进行‘量子通话’，过去需在遥远的通信两端之间连通‘两条路’。新架构出现后‘一条路’就已足够。”
图为北京量子信息科学研究院量子密钥分发实验室。（图源：新华社）
为“节省”下服务光纤但保留其发挥的作用，袁之良团队首次将光频梳技术应用于双场量子密钥分发。“光频梳技术，就好比把一束单频率的光，变成像多个‘梳子齿’一样分隔开来、不同频率的多束光。借助这把神奇的‘梳子’，无需架设服务光纤，即可实现通信两端‘信号’的频率校准，从而实现量子信息的准确传输。”周来说。
此外，在实际的超长距离量子通信中，光纤不免会发生快速抖动，也会影响传输“信号”的准确。光频梳技术还可同步解决光纤抖动的问题，大大降低噪声对量子信号的影响，确保光纤量子信息长距离传输的精准。
国内发展历程
2005年，中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授和他的同事杨涛、彭承志等通过“自由空间纠缠光子的分发”实验，在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，纠缠的特性仍然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。4月22日出版的国际物理学权威期刊《物理评论快报》发表了他们题为《13公里自由空间纠缠光子分发：朝向基于人造卫星的全球化量子通信》的研究论文。《物理评论快报》的审稿人称，这一成果“有重大的意义”、“是一项相当了不起的成就”。
2006年，中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室在光纤通信中实现了一种抗干扰的量子密码分配方案，保证了长距离光纤量子通信的安全和质量。这一成果日前发表在刚刚出版的国际物理学权威期刊《物理评论快报》上。“非常出色的”、“具有特殊的价值”，是该杂志审稿人对这一成果的评价。
2008年，在“量子调控研究”重大科学研究计划等的支持下，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）潘建伟教授领导的研究小组完成了“量子中继器的实验实现”，研究成果于8月28日发表在《自然》上。他们利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果实现了长程量子通信中亟须的“量子中继器”，向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。由于该项研究工作的重要意义，《自然》杂志专门发布了题为“量子推动 (Quantum Boost)”的新闻稿，称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。
2012年，潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基矗国际权威学术期刊《自然》杂志8月9日重点介绍了该成果。“在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上，基本上解决量子通讯卫星的远距离信息传输问题。”研究组成员彭承志介绍说，量子通讯卫星核心技术的突破，也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。8月9日，国际权威学术期刊《自然》杂志重点介绍了这一成果，代表其获得了国际学术界的普遍认可。《自然》杂志称其“有望成为远距离量子通信的里程碑”、“通向全球化量子网络”，欧洲物理学会网站、美国《科学新闻》杂志等也进行了专题报道。
2015年3月6日，国际权威物理学期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 114, 090501 (2015)] 发表中国科学技术大学多方量子通信方案，该方案在实用化、远距离多方量子通信方面迈出了重要的一步。多方量子通信旨在为多用户保密通信提供基于量子力学原理的安全性。此前最远的三光子纠缠态实验分发距离仅为1公里[Nat. Photonics 8, 292 (2014)]，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与信息研究部研究组结合诱骗态和测量设备无关的量子密钥分发技术，提出了一个可以在百公里量级分发后选择多光子纠缠态并进行多方量子通信的实用化方案。
2018年9月，在国家重点研发计划量子调控与量子信息重点专项项目“固态量子存储器”的支持下，中国科学技术大学李传锋团队在自主研制的高品质三维纠缠源的基础上，进一步制备出偏振-路径复合的四维纠缠源，保真度达到98%。利用这种四维纠缠源首次成功识别了五类贝尔态，并实验演示了量子密集编码，一举把量子密集编码的信道容量纪录提升到了2.09，超过了两维纠缠能达到的理论极限，创造了当前国际最高水平。这项工作充分展示了高维纠缠在量子通信中的优势，为高维纠缠在量子信息领域的深入研究打下重要基矗该成果于7月20日发表在国际权威期刊《科学进展》上。
2021年1月7日，中国科学技术大学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。
2022年4月13日报道，北京量子信息科学研究院、清华大学龙桂鲁教授团队和陆建华教授团队共同设计出了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，成功实现100公里的量子直接通信。这是目前世界最长的量子直接通信距离。
2022年10月22日，中国共产党第二十次全国代表大会“党代表通道”第二场采访活动在人民大会堂举行。
二十大代表、科大国盾量子技术股份有限公司项目总监周雷介绍，他和团队参与了世界首条千公里级量子保密通信“京沪干线”的建设，参与了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”的研制，推动我国量子通信领域从跟跑到领跑，进入世界第一梯队。
2023年2月14日，全国首例“量子远程手术”在山东威海、青岛两地顺利实施，跨越260公里的手术，历时50分钟便顺利完成，网络平均时延8ms，患者出血量仅为20毫升，且术中无周围脏器损伤等并发症。
国际发展历程
1984~1992年，第一个量子密码通信方案提出，即著名的BB84方案。简化的 BB84方案提出。并第一次在实验上原理性演示了量子密钥分发 。
1993~2005年，量子密钥分发演示性实验实现100公里以上通信距离，但安全通信距离只有10公 里量级，不具 有实用价值 。
2006~2010年，美国 Los Alamos国家实验室 一美国国家标准局联合实验组和奥地利的 Zeilinger教授领导的欧 洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里量子密钥分发，量子通信得以从实验室演示开始走向实 用化 。
2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目。计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、 亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。
欧洲
2008年发布了《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲量子通信的分阶段发展目标，包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。
2008年9月，欧盟发布了关于量子密码的商业白 皮书。启动量子通信技术标准化研究，并联合了来自12个欧盟国41个伙伴小组成立了 “ 基于量子 密码的安全通信” (SECOQC)工程，这是继欧洲核子中心和国际空间站后有一大规模的国际科技 合作项目。同年，该工程在维也纳现场演示了一个基于商业网络的包含 6个节点的量子通信网络。欧空局正在与来自欧洲、美洲、澳大利亚和日本的多国科学家团队合作开展空间量子实验，由国际著 名量子物理家、沃尔夫物理学奖获得者奥地利的Anton Zeilinger教授领衔，计划在国际空间站与地面站之间实现远距离量子通信。
日本
提出量子信息技术长期研究战略，目标年投入2亿 美元，规划在5~10年内建成全国性的高速量子通 信网。日本的国家情报通信研究机构 (NICT)也启动了一个长期支持计划。
日本国立信息通信研究院计划在 2020年实现量 子中继，到 2040年建威极限容量、无条件安全 的广域光纤与自由空间量子通信网络。2010年。日本 NICT主导，联合当时欧洲和日本在量子通 信技术上开发水平最高的公司和研究机构，在东 京建成了6节点城域量子通信网络 “ Tokyo QKD Netword”。东京网在全网演示了视频通话。并演示网络监控。
美国
美国国防部支持的“ 高级研究与发展活动”(ARDA)计划到 2014年将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及远距离光纤网络。国防部高级计划署 (DARPA)和 Los Alamos国家实验室于 2009年分别建成了2个多节点量子通信互联网络，并与空军合作进行了基于飞机平台的自由空间量子通信研究。
美国航空航天局(NASA)正计划在其总部与喷 气推进实验室 (JPL)之间建立一个直线距离 60 公里、光纤皮长1 000公里左右的包含10个骨干节点的远距离光纤通信干线，计划拓展到星地通信量子。
此次，“作为世界上首个开放式架构的双场量子密钥分发系统，成功实现615公里的光纤量子通信，在量子通信的实现方案方面有了创新突破。”《自然-通讯》审稿人之一、量子通信科学家王双3月8日接受记者采访时表示，这一新架构有助于光纤量子密钥分发距离向千公里级别突破，为未来我国建设多节点广域量子网络奠定基矗
来源：网络内容综合
