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青岛市连续变量量子密钥分发应用示范项目进行了验收

2019年1月5日,青岛市大数据发展促进局和青岛国际经济合作区(中德生态园)共同组织对由北京大学-北京邮电大学联合研制建设的“青岛市连续变量量子密钥分发应用示范项目”进行了验收。中国科学院院士、我国量子信息领域的著名专家郭光灿教授和中国科技大学、上海交通大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、山西大学、北京电子科技学院、电子科技集团30研究所等业内专家组成的评审组,对项目建设成果给予了高度评价,确认为全球首个针对明确应用场景的完整的连续变量量子密钥分发应用示范项目。

青岛市连续变量量子密钥分发应用示范项目进行了验收

项目利用青岛移动现有商用光纤线路及配套设施,采用北京大学-北京邮电大学联合团队研制的量子密钥分发收发端机、量子密码机和偏振控制等最新技术,连接青岛市政务大数据和云计算中心、中国移动青岛开发区分公司和青岛国际经济合作区(中德生态园)三地,线路总长超过70km,每段线路平均量子密码码率均超过10kbps,可对三地的视频、音频和文档进行传输加密。系统性能指标处于全球领先水平。

本次开通的连续变量量子密钥分发系统不需要使用昂贵的单光子探测器,所使用的光电器件与光纤通信的器件通用,量子信道可以和现有通信业务共享光纤,不再需要独占光纤,可以大大降低系统建设成本和运维成本,其可靠性和稳定性等同于成熟的光纤通信系统。该项技术将在军事、银行、证券、电力等众多行业有着广泛的应用前景,预计近期国内市场规模可达到百亿量级,远期将超过千亿级。

未来,联合团队将加强与青岛市的合作,基于自主可控的核心光电器件,开展量子密码终端、量子安全网关、量子交换路由器、量子密钥分发应用管控系统的研发和生产,以应用带产业,以产业促发展,进一步降低系统的建设、运行和维护成本,为政务、公安、金融、电力、互联网等众多行业提供安全可靠的量子密钥分发应用组网解决方案,确保网络信息安全。

应用示范项目的验收通过,将进一步推动青岛市量子等大数据关键技术、产品和解决方案的研发、实践和产业化,加速引入量子通信、量子测量技术、相关上下游资源等关键技术和人才,为构建青岛市自主可控的大数据产业链、价值链和生态链增添力量。

背景资料

近年来,信息安全问题日益严峻,量子密钥分发备受瞩目。目前,量子密钥分发的工程化实现主要有单光子和连续变量两个技术方案。2015年之前,连续变量量子密钥分发的安全性未被严格证明。因此,世界各国均采用单光子技术方案建设量子密钥分发工程。虽然取得了重大突破,可保证信息的安全传送,但面临成本高、和现有光网络兼容性差的难题,处在小规模试用的阶段,大规模推广困难。

2015年,连续变量量子密钥分发的安全性得到严格证明,扫清了实际应用的最后一个障碍。在国家863计划课题、国家自然科学基金的支持下,郭弘教授、喻松教授带领北京大学-北京邮电大学联合团队,经过近十年不懈努力,突破了连续变量量子态制备、传输、探测和后处理一系列关键理论问题和核心技术,申请了36项国家发明专利和6项软件著作权,研制了四代连续变量量子密钥分发应用系统,传输距离多次刷新连续变量量子密钥分发的世界纪录。

和近年来国内外报道的单光子量子密钥分发应用线路相比,本次开通的连续变量量子密钥分发不再需要使用昂贵的单光子探测器,所使用的光器件与光纤通信的器件通用,量子通信业务可以和现有通信业务共享同一根光纤,不再需要独占光纤。因而可以大大降低量子密钥分发系统的建设、运行和维护成本,而且其可靠性和稳定性等同于成熟的光纤通信系统,非常适合产业化大规模推广应用。

量子信号非常微弱,对噪声积累非常敏感。连续变量系统采用与光纤通信通用的光电器件,并和光纤通信共享光纤,这给系统的成本降低带来了极大的好处。但由于通用光电器件噪声较大,与光纤通信共享光纤很难隔离噪声,因此微弱的量子信号备受噪声的影响。随着传输距离的延长,噪声将会积累到不可处理的程度,传输距离的提升极端困难。2012年,法国法布里实验室在商用光纤通信系统中实现了17.7公里的传输距离。

为提升传输距离,北京大学-北京邮电大学联合团队对噪声积累的主要因素和处理方法进行了深入分析,发展了一整套行之有效的方法和技术。在量子态制备的过程中,调制器消光比不足和工作点漂移带来很大的串扰和噪声问题,联合团队用声光调制器加电光调制器的方法,实现了高稳定、70dB高消光比。在量子态传输的过程中,传输损伤会破坏量子态的相干性,带来噪声。联合团队研制了高精度相位补偿和高速偏振控制系统,有效降低了噪声,并首次提出线性无噪放大理论,提纯量子态,可提升距离。量子态信号功率微弱,在几个光子的量级,因此需要高灵敏、低噪声的探测器。联合团队研制的平衡零拍探测器放大倍数达到120万倍,带宽5MHz,探测器电噪声被压制在散粒噪声之下25dB,综合性能世界最佳。经过探测之后,微弱的量子信号转变成了电信号。由于收发端的噪声和传输过程引入的噪声,此时信号的功率远小于噪声的功率,需要在噪声以下提取信号。联合团队研制的试试后处理软件可以在噪声比信号功率高15.3dB的情况下,以98%的协调效率进行实时无码纠错,协调效率达到了世界最高。

核心光电器件一直是我国信息行业发展的短板。连续变量保密通信需要用到高精度的光电器件,属于通用器件,虽然目前不受禁运的影响,但是价格不菲,并且可能受制于人。为此,联合团队和国内光电厂商积极合作,用国产光电器件替代进口产品,已经取得重要突破。全国产化核心光电器件的新一代系统正在耐久性测试之中。本次验收的第四代系统中强度调制器、相位调制器和声光调制器就用上了中国电子科技集团的产品。

基于一系列的原理和技术的突破,联合团队的第三代系统2017年在广州移动的商用光纤通信系统中传输距离达到了80公里,远远超过法布里实验室17.7公里的纪录。本次在青岛投入使用的第四代系统,进行了光电器件的集成和封装,进一步实现小型化,提高了稳定性和可靠性。

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