潘建伟团队：“京沪干线”可抵御所有已知的量子黑客攻击方案

2021年1月7日，距离世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”发射过去了4年4个月，距离世界首条量子通信骨干网络“京沪干线”开通过去了3年3个月，中国科学技术大学潘建伟团队与合作者在《自然》（Nature）上发文，正式宣布天地一体化的大规模量子通信网络在技术上可行。

澎湃新闻发现，论文投递于2019年1月，文中引述的许多实验数据采集于2017年。因此，相比起最新成果展示，这篇题为《跨越4600公里的天地一体化量子通信网络》的文章的意义主要在于对中国量子通信技术实践进行了归纳性的阐述，令中国构建的世界首个大型天地一体化量子通信网接受国际学术期刊的检验。

经过近2年的长考，《自然》审稿人评价道：“论文报告了一个令人印象深刻的工程成就”，“描述了地球上最大、最先进的量子密钥分发网络”。

要知道，1989年，当首个量子密钥分发（QKD）实验在IBM实验室内实现，线路只有32厘米，而且因设备操作时会发出噪音，被调侃为只有聋子才破解不了量子保密通信。

从32厘米到4600公里，其中需要解决大量科学和技术问题。

这4600公里实际上是由2000公里+2600公里构成的。2000公里，指的是京沪干线，采用的是地面光纤传输的方式。光纤QKD技术的信道稳定性较好，不易受到温度、湿度、天气等环境因素影响，可以实现基本恒定的安全码率，适用城域和城际范围。

京沪干线覆盖四省三市共32节点，在量子中继技术尚未攻克的情况下，基于可信中继方案实现了目前世界上最远距离的量子密钥分发干线。

建设过程中，研究团队攻关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监控等系列工程化技术。

潘建伟团队表示，京沪干线建成后开展了长达两年多的相关技术验证，已经接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户。

在安全性测试方面，京沪干线通过了光子数分离攻击、致盲攻击、时移攻击、波长依赖攻击和一些潜在的特洛伊木马攻击等，结果表明京沪干线可以抵御目前所有已知的量子黑客攻击方案，同时京沪干线网络的密钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。

天地一体化量子通信网络的另一部分，指的是以卫星作为中继站的星地QKD链路，适用于超远距离、移动目标、岛屿和驻外机构等光纤资源受限的场景。新疆南山和河北兴隆两个地面站之前的距离，就是2600公里。

研究团队在优化地面站接收光学系统、提高QKD发射系统时钟频率并应用更高效QKD协议的基础上，最终在南山地面站实现了卫星对地面站的高速量子密钥分发，生成速率比之前的工作高出约40倍。

文章同时展望，量子技术成熟到了足以实用的地步。通过地面光纤及卫星将更多国家量子网络连接起来，全球量子网络是可以实现的。

近期，欧美等国家、地区已经出台相关规划。2020年，美国发布《量子网络战略愿景》提出，“未来5年，美国将展示实现量子网络的基础科学和关键技术，从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道，以及洲际天基纠缠分发”；

欧盟发布量子旗舰计划《战略研究议程》，提出“3年愿景是利用QKD协议和具有可信中继节点的网络实现全球范围的安全密钥分发，6-10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通信”。

潘建伟团队表示，京沪干线和“墨子号”发展的相关技术为量子通信系统小型化、低成本、国产化奠定了基础，也为形成卫星量子通信国际技术标准奠定了基础。