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盘点:中国量子通信发展的关键十步,从跟跑到部分领跑

01 诱骗态量子密钥分发走向实用

2005 年,清华大学学者提出诱骗态量子密钥分发(QKD)方案 [1],可很好地应用于实际系统。

2006 年,中国科大团队率先实现 100 公里诱骗态量子密钥分发实验,从此打开了量子保密通信走向实用的大门。后来,该团队将光纤量子密钥分发距离拓展到 200 公里 [2]。

2008 年,我国首个 3 节点全通型量子保密电话网络在合肥试验成功 [3],相关技术在 2009 年服务“60 周年国庆阅兵”。

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02 规模化城域量子通信网络建成

2009 年,量子政务网试验项目 [4] 在芜湖展开、全通型量子通信网试验项目 [5] 在合肥展开,验证了城域网的基础技术可行性。同年,科大国盾量子、芜湖问天量子等科技成果转化公司开始起步。

2011 年,合肥建成全球首个规模化量子通信网络 —— 合肥城域量子保密通信试验示范网 [6]。同年,科技部“863 计划”首个量子通信领域主题项目《光纤量子保密通信综合应用演示网络》正式立项,该项目成果之一的组网和应用验证实验床 —— 济南量子通信试验网 [7] 于 2013 年建成。

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03 远距离量子保密通信干线立项

2013 年,国家发改委正式批复立项世界首条千公里级量子保密通信干线 ——“京沪干线”技术验证及应用示范项目,由中科院统一领导,中国科大作为项目建设主体承担。“京沪干线”总长超过 2000 公里,覆盖四省三市共 32 个节点,通过京沪干线,我国突破了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控等系列工程化实现的关键技术,完成了大尺度量子保密通信技术试验验证。2017 年 9 月底,“京沪干线”正式开通 [8]。

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04  量子科学实验卫星“墨子号”发射升空

2016 年,中科院空间科学战略性先导科技专项、世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空 [9]。

2017 年,“墨子号”提前完成原定三大科学实验任务: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 [10] 。9 月 29 日,“墨子号”与正式开通的量子保密通信“京沪干线”成功对接,实现了洲际量子保密通信,全球首个星地一体化的广域量子通信网络初具雏形 [11]。

2018 年,基于墨子号和“京沪干线”的成绩,国家发改委启动了“国家广域量子保密通信骨干网络建设”,列入“新一代信息基础设施建设工程”支持项目 [12]。

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05  量子通信国内外标准逐步建立

2016 年,中国密码行业标准化技术委员会开始启动量子密钥分发相关标准化研究项目 [13]。2017 年,中国通信标准化协会设立量子通信与信息技术特设任务组 [14],国内量子信息技术方面的标准研究和制订工作开始加速。截止到 2021 年 6 月,特设任务组共启动了 2 项国家标制定、12 项行业标准制定、1 项团体标准制定及 25 项研究报告等工作,其中 3 项行业标准已由国家工信部于 2021 年 3 月到 5 月间正式发布 [15]。

同时,基于“京沪干线”等实践成果,中国在国际量子信息相关标准制定工作中也在发挥着主力作用。2019 年,国际电信联盟设立“面向网络的量子信息技术焦点组”[16],这是国际标准化组织中第一个量子信息技术焦点组,由国科量子、国盾量子、中国信通院、三大运营商、华为、中兴、中国信科等中国团队发起设立。

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06 量子通信芯片化初现曙光

2019 年,中国科大团队及其合作者研制出连续变量量子密钥分发芯片 [17],大大缩小了量子通信硬件的体积,为量子通信技术的普及提供了新思路。

2020 年,中国科大团队联合国盾量子、中科院上海微系统所,共同搭建了一种新型的量子密钥分发系统 [18],开辟了一个新的途径来实现低成本、可扩展、安全的量子通信网络。

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07 远距离量子密钥分发不断突破

2020 年,中国科大团队利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发 [19]。

2021 年,中国科大团队联合济南量子技术研究院基于“济青干线”现场光缆,利用国盾量子硬件平台及上海微系统所的超导探测系统,突破现场远距离高性能单光子干涉技术,分别采用两种技术方案实现 500 公里量级双场量子密钥分发,创下目前现场无中继光纤量子密钥分发传输最远距离纪录 [20]。

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08 量子互联网之高维度量子隐形传态首次实现

目前各国推进的基于量子密钥分发(QKD)的量子保密通信网络,是“量子互联网”发展的初级阶段,最终目标是实现将用户、量子计算、量子传感等节点应用量子隐形传态等量子通信技术连为一体的量子网络。

2019 年,中国科大团队和奥地利研究人员合作,在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态 [21]。这是科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度,为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。

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09 量子互联网之量子计算实现“优越性”

在量子计算方面,2020 年,中国科大团队构建了 76 个光子的量子计算原型机“九章”[22],使得我国成功达到量子计算研究的首个里程碑 —— 量子计算优越性。

2021 年,中国科大团队成功研制了 62 比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”[23],并在此基础上实现了可编程的二维量子行走,成为中国超导量子计算的重要里程碑。

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10 规模化应用启航

自 2009 年量子保密通信技术服务国庆 60 周年阅兵后,政务、金融、电力、工业互联网等领域已有其示范性应用。

2021 年,《Nature》杂志刊发我国“跨越 4600 公里的天地一体化量子通信网络”[24] 成就的文章,审稿人评价称这是量子保密通信“巨大的工程性成就”。

目前,中国电信集团和国盾量子已启动“量子铸盾”行动 [25],计划为 10 个城市的公共安全提供“量子安全云”,为 100 个城市提供量子安全组网方案,为 10000 个政企客户提供量子安全加密解决方案,为 1000 万移动终端用户提供量子安全通话服务,推动量子保密通信相关技术产业化。

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参考来源:

[1] 来源:Physical Review Letters

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.94.230503

[2] 来源:CCSA 《量子保密通信技术白皮书》

[3] 来源:科技日报

http://www.stdaily.com/kjrb/kjrbbm/2021-06/23/content_1159111.shtml

[4] 来源:中国科学院

http://www.cas.cn/xw/zyxw/yw/200905/t20090519_2313726.shtml

[5] 来源:科学网

http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2009/9/223647.html

[6] 来源:中国科学报

http://www.cas.cn/xw/cmsm/201202/t20120221_3442898.shtml

[7] 来源:山东省科技厅

http://www.most.gov.cn/dfkj/sd/zxdt/201311/t20131107_110215.html?searchword=%E6%B5%8E%E5%8D%97%E9%87%8F%E5%AD%90%E4%BF%9D%E5%AF%86%E9%80%9A%E4%BF%A1%E8%AF%95%E9%AA%8C%E7%BD%91&prepage=10&channelid=44374&sortfield=-DOCRELTIME&strKeyWords=&itime=0

[8] 来源:新华社

http://www.xinhuanet.com/politics/2017-09/04/c_129695914.htm

[9] 来源:新华社

http://www.xinhuanet.com/world/2016-08/16/c_129231459.htm

[10] 来源:新华社

http://www.cac.gov.cn/2019-02/15/c_1124120504.htm

[11] 来源:国际在线

http://www.cas.cn/cm/201709/t20170930_4616570.shtml

[12] 来源:国家发展与改革委员会

https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/201711/t20171127_962601.html

[13] 来源:中国信息协会量子信息分会《2020 量子安全技术白皮书》

[14] 来源:中国科学院

http://www.cas.cn/sygz/201706/t20170615_4605181.shtml

[15] 来源:中国通信标准化协会

http://www.ccsa.org.cn/webadmin/#/td-standard/standard-common?no=YD%2FT%203835.1-2021&releaseDate=2021-03-05

http://www.ccsa.org.cn/standardDetail?standardNum=YD%2FT%203834.1-2021

http://www.ccsa.org.cn/standardDetail?standardNum=YD%2FT%203907.3-2021

[16] 来源:光明网

https://difang.gmw.cn/sd/2019-12/09/content_33387646.htm

[17] 来源:Nature Photonics

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0504-5

[18] 来源:Physical Review X

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031030

[19] 来源:Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y

[20] 来源:Physical Review Letters、Nature Photonics

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.250502

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00828-5

[21] 来源:Nature Photonics

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0504-5

[22] 来源:Science

https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abe8770

[23] 来源:Science

https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/05/science.abg7812

[24] 来源:Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8

[25] 来源:科学网

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/11/448206.shtm

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