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此外，他们还将星地 QKD 距离从 1200 公里提升到 2000 公里，相应的覆盖角度为 170 度，几乎是整个天空。南山地面站里的远程用户可以与“京沪干线”上的任一节点进行 QKD，无需额外的地面站或光纤链路。

　　星地量子通信网络

　　基于这些技术突破，一个集成的星地量子通信网络成形，由一个包括 700 多个 QKD 链路的大规模光纤网络和两段星地自由空间 QKD 链路组成。

　　该网络平均成码率可达 47.8.1kbps，比此前的“墨子号”实验高出 40 多倍。

　　光纤 QKD 链路长达 2000 公里，而星地 QKD 链路长达 2600 公里，两相结合，网络内任意一个用户可以实现最长达到 4600 公里的量子保密通信。
 

　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。如今，在“墨子号”量子通信实验卫星和京沪干线的串联下，中国已经实现了 4600 公里的量子保密通信网络，并为超过 150 名用户提供服务。

　　北京时间 1 月 7 日零时，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟团队在世界顶级学术期刊《自然》（Nature）杂志上发文详解了这种“连连看”是如何实现的。文章题为《一个超过 4600 公里的集成星地量子通信网络》（An integrated space-to-ground quantum communication network over 4600 kilometres）。

　　文章认为，这项工作表明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，全球量子网络可以实现。

　　量子通信的距离问题

　　量子密钥的特点在于它是编码在光子的量子态上，依据量子不可克隆定理，一个未知的量子态不能够被精确地复制，一旦被测量也会被破坏。因此，一旦有人窃取并试图自行读取量子密钥，一定会被发现。

　　不可复制也有坏处，那就是工程上无法像电信号一样被增强。光子通过长距离光纤传输，必然会产生损耗。

　　再加上环境噪音的影响，目前现实世界条件下两个地面用户之间直接通过光纤分发量子密钥，最远距离只能达到约 100 公里。

　　在量子中继器技术尚未成熟的情况下，距离长达 2000 公里的世界首条量子保密通信干线“京沪干线”沿途设置了 32 个中继站点进行“接力”，通过人工值守、网络隔离等手段保障中继站点内的信息安全。

　　当然，除了现实可用的技术，科学家们也在探索一些更为前沿的新技术以解决距离问题。例如，双场量子密钥分发（TF-QKD）。在这方面，济南量子技术研究院王向斌团队与潘建伟团队合作将真实环境光纤的双场量子密钥分发距离从 300 公里拓展到了 509 公里。

　　另一方面，高轨道的卫星可以作为天基中继站点。对于长距离或洲际用户来说，由于自由空间内量子信号衰减水平低、退相干效应可以忽略，星地 QKD 成了最具吸引力的方案。

　　2017 年，潘建伟团队借助 “墨子号”卫星成功向河北兴隆地面站分发了量子密钥，最远距离达到 1200 千米，平均成码率可达 1.1kbps（每秒 1.1 千比特）。

　　关键技术

　　尽管之前的实验已经证明了小规模量子城域网和关键服务的可行性，但建设实用的大规模量子广域网络仍需克服几大挑战。

　　地面量子通信光纤网络已在为 150 多名用户提供服务，在这方面，潘建伟团队演示了上转换单光子探测器、密集波分复用、高效顶底传输、实时后处理和监控等核心关键技术，最重要的是对抗已知的量子攻击。

（编辑：衡水站长网）

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