跨越4600公里！中国构建全球首个星地量子通信网

量子通信是量子科技三大方向之一，经过20多年努力，中国在该领域实现了从跟跑到领跑的重大转变。

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。

该成果已在英国《自然》杂志上刊发。《自然》杂志审稿人评价称，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。

2016年，中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”；2017年，中国建成世界首条量子保密通信干线“京沪干线”；2020年12月，中国科学技术大学宣布成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒。

全球首个星地量子通信网，已服务超150个用户

中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、彭承志等与中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作，构建了全球首个星地量子通信网。经过两年多稳定性、安全性测试，实现了跨越4600公里的多用户量子密钥分发。

整个网络覆盖我国四省三市32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，总距离4600公里，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

“要实现广域量子通信，存在光子损耗、退相干等一系列技术难题，比如光子数在光纤里每传输约15公里就会损失一半，200公里后只剩万分之一。”潘建伟说，科研团队在光学系统等方面发展了多项先进技术，化解了这些难题。

量子与量子通信的秘密

量子，并不是一种基本粒子，它是一个物理概念，指一个不可分割的基本个体。比如光的最小单元是光子，光子便是光的量子，光的能量是由光量子一份一份的传递。

量子有两个最显著的特性：量子叠加和量子纠缠。

量子叠加，即一个量子可以同时存在好几种状态。这就如经典的思维实验，薛定谔的猫一样，一只猫既是死的又是活的，处于死活的叠加态。

量子就像有分身术，可以在同一时间处理不同的N件事。因此利用量子叠加可以帮计算机实现并行计算。

量子纠缠就是当N个量子互相作用后，它们的状态会成为一个不可分割的整体，这时所有被作用过的量子就都已经处于了“纠缠态”，而之后不论把这些量子分开多远，所有量子的总状态都不会发生改变。

量子计算机和量子通信利用的就是量子的这两个特性。

为便于传输, 现有的量子通信实验一般以光子为量子态载体。由于量子的不可克隆性和不可分割性量子通信比传统信息通信要高效安全得多。

此次，星地量子通信网的建成，为未来实现覆盖全球的“量子网”奠定科技基础，也为相对论、引力波等科学研究，提供了前所未有的“天地实验室”。