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“欧宝体育”中国量子通信重大突破!论文再登Nature,展示天地一体超4600公里通信网络 - 智东西

发表于: 2021-08-21 01:42
本文摘要:他们将量子技术“发挥”到太空中! 1月7日凌晨,中国科学院院士,科技大学教授潘建伟创建了一个长达4,600公里的量子通信网络,由魏世伟主编|莫应志东新闻 中国,再次登上顶级科学杂志《自然》,并发布了《量子A》在通信领域的一项重大成就,他们首次通过“墨子”卫星的串行连接建立了一个集成的空对地量子通信网络。拥有京沪干线,综合通讯链接距离达4,600公里。 可以理解,该网络由具有700多个光纤量子密钥分配(QKD)链路和两个高速卫星到地面自由空间QKD链路的大规模光纤网络组成。

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他们将量子技术“发挥”到太空中! 1月7日凌晨,中国科学院院士,科技大学教授潘建伟创建了一个长达4,600公里的量子通信网络,由魏世伟主编|莫应志东新闻 中国,再次登上顶级科学杂志《自然》,并发布了《量子A》在通信领域的一项重大成就,他们首次通过“墨子”卫星的串行连接建立了一个集成的空对地量子通信网络。拥有京沪干线,综合通讯链接距离达4,600公里。

可以理解,该网络由具有700多个光纤量子密钥分配(QKD)链路和两个高速卫星到地面自由空间QKD链路的大规模光纤网络组成。地面光纤网络使用可靠的中继结构,覆盖2,000多公里,可提供实际的安全性,可靠性和稳定性。同时,卫星对地面QKD技术的平均密钥传输速率为47.8kb,比以前的“墨子”卫星实验高40倍以上。

信道损耗类似于对地静止卫星与地面之间的信道损耗。这使得通过对地静止卫星建立更多功能和超长量子链接成为可能。基于此,研究人员通过结合光纤和自由空间QKD链路,将QKD网络扩展到了2600公里之外的远程节点,以便网络中的任何用户都可以与其他用户通信。

目前,在现实情况下,两个地面用户可以直接通过光纤分配量子密钥,最大距离只能达到100公里左右。研究结果已在线发表在《自然》杂志上,标题为“一个超过4,600公里的集成空对地量子通信网络”。链接到本文:https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8这是潘建伟团队与中国科学院上海微系统研究所和中国科学院上海分院合作的“九章”。

国家并行计算机工程技术中心于去年12月成立。在实现了“量子计算的优势”之后,量子计算的原型再次在量子领域发表了新的成果。有鉴于此,Zhixizhi对研究结果进行了较为完整的回顾和梳理。

01.经过十年的技术沉淀,目标是建立一个全球量子通信网络。什么是量子通信? 它是一种利用量子叠加态和纠缠效应传输信息的新型通信方法。

它主要分为量子隐形传态和量子密钥分配。量子密钥分发(QKD)是我们这次要谈论的主角。它的诞生可以追溯到1989年,当时IBM科学家成功实现了第一个QKD实验,当时该生产线只有32 cm。有趣的是,由于当时设备操作引起的噪音,QKD也被业界嘲笑为“只有聋人才能破解量子保密通信”。

尽管量子技术离我们的生活还很遥远,但中国的量子技术已经在检测,通信和计算机等领域处于世界领先水平。特别是,于2011年12月建立并于2016年8月成功发射的我国“墨子”量子科学实验卫星,不仅标志着我国空间科学研究的重要一步,而且有效地协助了中国科学家成功实现量子通信 已经发展到实用阶段。▲“墨子”量子科学实验卫星据报道,“墨子”主要有5个有效载荷,包括量子密钥通信器,量子纠缠发射器,量子纠缠源,量子实验控制与处理系统以及高速相干激光通信机等。

在2017年6月发射升空后,“墨子”成功地实现了两个量子纠缠光子在一个实验中相距超过1200公里的分布,并且可以继续保持量子纠缠的状态。这次,潘建伟的研究小组的研究成果再一次出现在《自然》杂志上,而这是其为期10年的技术积累和工作准备的背后。

这项研究的另一个主角-全长超过2000公里的主干线,也被称为“京沪干线”。这是中国第一条量子安全通信干线,建设时间超过三年(2013年7月至2016年11月)。整个网络技术的验收已于2017年8月完成,并于同年9月29日正式启用。这意味着连接北京和上海核心的京沪干线将通过广域光纤量子通信网络为在线金融,政府和其他机构提供加密的通信技术支持。

但是,正如潘建伟院士在今年早些时候的一次采访中所说的那样,该网络的未来绝对不止于此:“量子通信的发展目标是建立一个全球性的广域量子通信网络系统。02.建立量子广域网的六个主要挑战。

潘建伟的团队提到,QKD有潜力实现安全的通信和信息传输。但是,全球QKD网络需要一个实际的安全可靠的QKD网络,而不仅仅是理论上的支持,因为它需要广泛分布在各个区域中,以供大量用户使用。原则上,量子中继器可以为全球网络提供可行的选择,但不能使用当前技术进行部署。

但是在当今的技术条件下,研究人员认为,基于可信中继的量子网络是可行的,并且有一个广泛接受的实施路线图:通过光纤的城市内城域网,使用骨干网的城市间连接以及长距离 通过卫星通信。然而,构建可在实践中应用的大规模量子广域网仍然需要克服许多挑战。因为它类似于经典网络的构建,所以需要解决的不仅是工程问题,而且是科学问题。

▲量子通信卫星与地面站实验原理图(来源:中国科学技术大学)在研究人员看来,实用的量子广域网应具备以下条件:1.兼容多种拓扑结构,用于连接大型 规模的分布式用户; 2.解决基本的网络架构和管理方法; 3.使用标准的QKD设备以方便扩展; 4.维护安全并防止已知和潜在的攻击; 5.提供不同的实际服务; 6.保持可靠性和长期稳定性。03.该网络覆盖“北济合上”,已为150多个用户提供服务。为了进一步促进该技术的发展并使其能够更快地实施,有必要开发基于卫星的高速QKD以提高密钥率。

潘建伟的团队通过建立大规模量子网络在这方面取得了实质性进展。该网络由分布在北京,济南,合肥和上海的4个光纤队列管理器(QMAN),以及一个超过2000公里的长距离光纤骨干网,以及两条连接兴隆和南山的地对星链路组成。

它还包括700个QKD光纤链路,是现有网络的10倍以上。在地面上,光纤网络已经为150多个用户提供了服务。▲全面的空地量子网络的解释1.卫星-地面链路:优化软件和硬件系统的设计,以实现高速卫星-地面量子密钥的分发。对于硬件,研究人员优化了地面接收系统的光学系统并改进了QKD系统。

对于软件,他们使用更高效的QKD协议来生成密钥。这些优化使网络的关键速率保持在47.8kbps,这比以前的“ Mozi”卫星实验高40倍。

同时,他们还将卫星与地面之间的QKD距离从1200km扩展到2000km,覆盖了大约170°的角度,几乎覆盖了整个天空。这使得总的信道损耗等于对地静止卫星与地面之间的信道损耗(约40,000公里)。

最后,通过在网络中集成光纤空间链路,位于南山的远程用户可以与骨干网中的任何节点执行QKD,而无需其他地面站或光纤链路。▲地面硬件设施包括南山地面站的1.2米望远镜(a),兴隆地面站的1米望远镜(b)和四区域城市区域网:探索不同类型的拓扑结构, 以北京都市圈为例。

它使用圆形,树形和星形拓扑,每条线代表一个QKD链接,中间的环形网络由12个受信任节点组成。循环拓扑的优点在于,它可以避免单个节点的故障或拒绝服务。

控制中心节点是控制整个网络的12个环形节点之一。大多数最终用户连接到受信任的节点,形成星形拓扑。但是,大多数最终用户仅配备QKD发射器,而没有单光子检测器,这大大降低了成本,因为单光子检测器是QKD系统中最昂贵的部分。此外,所有最终用户都可以与相邻的受信任节点共享一个量子密钥,通过它们他们可以与网络中的每个人进一步共享信息。

对于将来的更高级别的最终用户,研究人员还提供了一个全通光开关,该开关最多可以连接16个用户,从而帮助任何两个连接的用户直接生成量子密钥。同时,作为全通光交换机的中间节点,所有用户都可以通过该交换机连接以形成树形网络。在此阶段,北京都市圈共有12个受信任的节点用户和19个最终用户。

合肥,济南和上海都市圈网络的设计与北京相似。其中,济南市城域网建设于2011年11月至2013年11月,拥有最多的用户节点,其中包括3个受信任的中继节点,3个全通光交换机,50个用户节点,95个用户,437个QKD链路。▲各节点量子通信网络的关键参数3.骨干网:采用多对QKD系统来提高安全密钥率。

骨干网是线性拓扑结构,由32个受信任的中继节点和31个链路组成。北京,济南,上海和合肥城域网以及骨干网和兴隆地网的平均关键速率分别为12.9kbps,26.3kbps,19.7kbps,11.2kbps,79.3kbps和19.6kbps。为了确保骨干网具有更高的安全密钥率,研究人员使用了多对QKD系统。通过密集的波分复用技术,骨干光纤链路可以同时运行几对设备。

与一对设备相比,使用多对设备的密钥编码率可以提高5倍以上。为了构建高效且支持大量用户的大规模量子通信网络,研究人员构建了五层网络体系结构:量子物理层,量子逻辑层,经典物理层,经典逻辑层和应用程序 层。▲量子通信网络中加密通信过程的示意图以北京QMAN到上海QMAN的安全数据传输过程为例。

网络架构的工作原理如上图所示。大约有以下链接:(1)在应用层,用户发送数据传输请求,该请求将被顺序分配给经典逻辑层。(2)经典逻辑层将命令发送到经典物理层以准备消息并找到用于消息传输的最佳路由。

(3)经典物理层首先检查共享密钥是否足够。如果数量太少,它将向量子逻辑层发送指令以找到QKD的最佳路径。如果有足够的信息,它将沿经典逻辑层提供的路径编码并发送消息。

(4)量子逻辑层控制密钥的生成,存储和传输,并控制两个节点通过光开关的路由。(5)量子物理层实现了两个节点之间的密钥生成。4.高速卫星对地面QKD:两个地面站和“墨子”卫星组合QKD在兴隆和南山有两个地面站,两地之间的距离约为2,600公里, 中间取决于中国的“墨子”“量子科学实验卫星”。

根据诱饵国家Bennett-Brassard 1984(BB84)协议,在太空舱中安装了合格的QKD发射器。通过改进BB84模块,它可以适应更大的入射光束尺寸,因此地面站的接收效率是以前的实验的三倍。

同时,研究人员还用新的5nm光谱滤光片替换了10nm光谱滤光片,以进一步抑制背景噪声。▲兴隆地面站的光学系统,a / b / c是硬件设备,扩束器和BB84模块。“墨子”号在约500公里的高度沿太阳同步轨道飞行,并在当地时间约00:00穿过地面站。它为下行量子密钥分配实验提供了条件。

在实验过程中,可以从508km到1200km以上的通信距离中收集58.1Mbit的筛选密钥。平均量子误码率(QBER)为0.50%,最高筛选密钥率(462kbps)在磁道中心附近。通过BB84的高效后处理程序,研究人员提取了最终的安全密钥。在正常情况下,它们每周可获得的密钥总大小约为36Mbit,并且由“ Micius”卫星生成的密钥每周可以支持约6000个用户。

对于每对卫星用户(主要是银行用户),密钥每10天以8Kbit(64个128密钥种子)的速度更新和刷新。到目前为止,关键速率仍然受“墨子”低轨道时间的限制。将来,如果可以使用一个对地静止卫星和多个卫星构成一个卫星星座,则可以大大提高密钥率。▲高速卫星对地面QKD性能04.为了抵御特洛伊木马攻击,计划建造北京上海的新骨干网,作为安全QKD网络的关键组成部分。

该系统需要抵御由不完善的实际设备引起的安全性问题。研究人员提到,在过去的几年中,已经证明了几种攻击,例如光子数分裂攻击,盲目攻击,时移攻击,与波长有关的攻击以及某些潜在的特洛伊木马攻击。他们认为,一个实用的网络也应保持稳定和可靠,以应对紧急情况。

针对这些安全问题,研究人员一直在抵制上述已知的攻击。在每个QMAN中,研究人员实时调整每个节点之间的QKD路由,以克服节点故障。同时,他们还绘制了2017年骨干网平均密钥率的地图,包括从北京到济南,济南到合肥,合肥到上海的骨干网平均密钥率的变化。▲2017年骨干网12个月可靠性测试除初期链路稳定的初期阶段外,整个系统逐渐趋于稳定,最小密钥速率通常超过20kbps。

作为补充,他们给出了济南QMAN的可靠性测试结果。该系统已连续运行17个月,并通过了数以万计的服务测试,成功率超过99%。在2017年12月的骨干网测试示例中,还显示了每两个相邻节点之间的平均临界率。所有31个主干链路的密钥速率都远远高于28kbps,最大密钥速率为235.4kbps。

▲2017年对骨干网进行为期12个月的可靠性测试的研究人员提到,即使他们是受信任的中继骨干网之一,未来他们还将在北京和上海之间建立另一个骨干网,以形成大规模的环形骨干QKD网络。网络发生故障时,整个网络都可以维持运行。

同时,通过结合独立的测量设备的QKD和经过良好校准的设备,实用的QKD系统可以在实际条件下提供足够的安全性。“我们的骨干网可以直接更新以采用这些新解决方案。

“研究人员在论文中提到:1.与测量设备无关的QKD非常适合星型量子访问城域网。星型拓扑是四个城市网络的关键结构。

2.与测量设备无关的QKD和BB84的诱饵状态变送器基本相同。因此,光纤网络中的当前传输系统也可以用于实现与测量设备无关的QKD网络。3.研究骨干网长距离传输中双场量子密钥分配的实验实现将是有趣的。

此外,随着骨干网络的扩展,它将形成更复杂的拓扑和更完整的环路,从而为计量应用提供安全的时频传输,基本的量子引力测试和大规模干涉测量。研究人员期望随着量子存储器的发展,在不久的将来可能实现大面积的分布式量子计算和量子中继器。05.结论:我国的量子通信技术指日可待。

也许其中提到的一些关键技术细节和术语对许多人来说是相对陌生的。我们可以这样简单地理解它:这项研究表明,我国的量子技术已经足够成熟。无论从安全性还是可靠性上,都达到了实际应用的水平。

有一天,量子通信网络技术会取代我们目前的通信技术,并走向真正的“星海”吗? 答案是否定的。潘建伟院士在今年年初提到,尽管量子通信是一个新兴领域,但“它并不是要取代现有的通信方法。” 相反,该技术将以新的方式极大地提高现有信息系统的安全性。

也许在将来,该网络不仅在中国,而且还可以通过地面连接或地面卫星连接连接更多来自不同国家的国家量子网络,从而使全球量子网络的概念成为现实。参考资料:自然论文,风起云涌,学术头条和相关报告。

指向相关报告的链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8 [内容]原始内容,未经帐户授权的未经允许的严禁转载。).。


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