量子通信技術研發與產業化進程加快

重要信息

中國信息通信研究院技術與標準研究所 賴俊森 趙文玉

網路信息安全形勢日益複雜，量子通信作為從物理機制上實現絕對安全的信息傳輸的新型通信方式，目前已成為全球信息通信行業的關注焦點。其中，能夠進行信息直接傳輸的量子隱形傳態技術仍處於實驗研究的探索階段，是量子信息領域基礎科研的前沿熱點。而以量子密鑰分發為核心的量子保密通信技術，能夠大幅度提升現有通信技術的信息傳輸安全性，在政務、金融、外交等領域具有廣闊的應用前景，近年來在技術研究、試點應用和產業推廣等方面發展迅速。

量子通信成為國家科技實力競爭的重要戰場之一

上世紀中葉，隨著量子力學的創立和發展，人類開始認識和利用電子、光子和原子等微觀粒子的獨特屬性，掀起了量子科技革命的第一次浪潮，其中誕生的半導體、激光器和原子能等一系列重大科技突破，為今天信息社會的形成和發展奠定了基礎。近年來，隨著單量子態調控和原子激光冷卻等技術的突破和發展，人類對於微觀世界的認識和操控能力進一步提升，量子技術和信息科學相融合的量子科技革命第二次浪潮即將來臨。其中以量子通信和量子計算等為代表的量子信息技術的研究與應用，在未來國家科技競爭、新興產業培育、國防和經濟建設等領域具有重要戰略意義。

世界多國量子通信研究與應用的政策支持與項目布局全面展開，競爭態勢日益明顯。近年來，美國通過「量子信息科學和技術發展規劃」等項目，持續支持量子通信和量子計算等前沿研究和應用，每年的研究經費投入達2億美元。歐盟公布「量子宣言」，投資10億歐元，支持量子計算、通信、模擬和感測四大領域的研究和應用推廣。英國發布「國家量子技術計劃」，投資2.7億英鎊支持量子通信、感測、成像和計算四大研發中心。日本成立量子信息和通信研究促進會，計劃10年內投資400億日元，支持量子通信和計算等領域的研發攻關。我國在2016年發布的「十三五」規劃綱要中提出著力構建量子通信和泛在安全物聯網，並在多項科技與信息產業規劃中將量子通信列為戰略性新興產業。同年，科技部設立「量子調控與量子信息」重點專項，部署量子通信和計算等領域的戰略性前沿研究。

作為量子信息領域中最接近實用化的技術，近年來量子通信在理論驗證、實用化水平提升和新應用場景開發等方面取得了一系列研究成果。以中科大為代表的中國研究團隊在該領域與世界先進水平基本保持同步，成為推動量子通信技術進步的重要力量。在量子隱形傳態的研究探索方面，2015年，荷蘭代爾夫特理工大學克服傳統實驗中的光子探測效率和傳輸距離漏洞，充分驗證了量子糾纏的非定域性。同年，中科大首次完成基於單光子偏振和軌道角動量的多自由度量子隱形傳態實驗，並於2016年首次完成了30公里城域光纖現網的量子隱形傳態實驗，成為量子通信研究領域的代表性成果。在量子密鑰分發的實用化研究方面，2016年，東芝歐研所報道了光量子態與傳統光信號基於波分復用實現共纖傳輸和對高速信號進行實時加密，提升了量子密鑰分發的實用性。2017年，中科大報道了基於新型測量設備無關協議的404公里光纖線路量子密鑰分發實驗，提升了傳輸距離極限。同年，英國布里斯託大學和牛津大學還分別報道了基於光子集成電路的晶元化量子密鑰收發器和基於空間光的手持式量子密鑰終端，為量子密鑰分發設備和應用的演進奠定基礎。

量子保密通信應用試點逐步開展，我國量子衛星佔先機

量子保密通信的高安全性優勢受到世界各國政府和信息通信業界的重視，近年來的試點應用和網路建設項目廣泛開展。2015年，美國Battelle公司建成俄亥俄至華盛頓650公里的量子保密通信光纖線路，並公布連接美國東西海岸的環美量子通信骨幹網路建設計劃。同年，韓國政府宣布投資電信運營商SKT開始分階段建設覆蓋全境的量子通信網路，並逐步在政府和商業網路中採用量子加密技術。2016年，英國量子通信中心開始建設連接布里斯托、倫敦和劍橋三地的量子通信試驗網路，義大利也啟動了總長1700公里貫穿全境的量子通信骨幹網建設項目。

我國面臨的信息安全形勢日益複雜，在政務、金融和關鍵基礎設施等領域，提高信息安全保障能力的需求更為緊迫，量子保密通信的試點應用呈現出需求牽引、政策驅動、快速發展的特點。2004年，中科大在北京至天津125公里現網光纖中完成首次量子密碼傳輸，之後相繼在北京、濟南、蕪湖、合肥與上海等地建立了多個城域量子保密通信實驗示範網，新華社金融信息量子保密通信驗證專線以及關鍵部門間的量子通信熱線等。2016年，發改委牽頭投資的量子保密通信「京滬幹線」項目全線貫通，基於32個可信中繼站點，實現距離超2000公里的全球首個廣域量子保密通信骨幹線路。2017年，量子保密通信「滬杭幹線」、「寧蘇幹線」和「武合幹線」等一批由地方政府和社會資本參與投資的項目紛紛開始建設，成為我國量子保密通信產業化應用與推廣的新動力。

量子通信單跨段最大傳輸距離為百公里量級，實現長距離傳輸需要進行中繼。目前量子中繼技術尚不成熟，衛星平台因其不受地形地貌限制，信道損耗小，覆蓋面廣、安全性高等優點，成為在長距離量子通信中進行糾纏分發或密鑰中繼的理想平台。我國從2010年起，由中科院等單位牽頭設立相關領域的戰略先導專項，相繼在北京八達嶺和青海湖等地完成多項自由空間量子通信實驗驗證。2016年8月，我國成功發射全球首顆量子通信科學實驗衛星「墨子號」，並報道了多項基於「墨子號」衛星的重要研究成果，典型包括：首次實現1200公里糾纏光子分發測量，驗證量子力學原理在空間大尺度環境下正確性；首次在1200公里低軌衛星和地面站間完成了1.1kbit/s安全碼率的量子密鑰分發，突破了傳輸距離的極限；首次在星地之間1400公里鏈路完成單光子量子比特隱形傳態，為超遠距離量子通信組網奠定基礎。與同期的德、日、新、加等國的類似實驗報道相比，我國在星地量子通信領域的科學研究與工程應用水平處於領先，體現出集中力量辦大事的制度優勢。

量子保密通信產業鏈初步形成，標準化工作啟動

隨著近年來試點應用和網路建設項目的推進，我國量子保密通信產業初步建立，形成了包含技術研究、系統集成、建設運維和安全應用等相應的產業鏈。以中科院及中科大等為代表的研究機構在協議演算法研究和核心器件研發及國產化方面取得了大量成果，為保證我國量子保密通信產業在核心技術領域不受制於人奠定了堅實基礎。國盾量子、問天量子和九州量子等系統設備商，具備提供商用化的量子密鑰分發系統、組網設備和整體應用解決方案的能力，在市場和研發能力等方面也進一步增強，成為推動量子保密通信產業發展的重要力量。國科量子、亨通問天量子和神州量子等項目建設與運維單位，依託在建和已完成的量子保密通信城域網路和幹線項目，為政務、金融和行業專網應用提供信息安全加密服務，並逐步拓展量子安全認證和量子加密終端等新型應用場景與市場。以新華社、工商銀行和阿里巴巴等為代表的政企與行業客戶，開始採用量子保密通信設備和量子密鑰進行專網的信息安全防護，交易數據的加密傳輸以及數據中心的安全備份等應用。

隨著量子保密通信產業的發展，產業鏈合作與標準化研究等工作也逐步展開。2015年年底，由中科院牽頭，聯合中科大、科大國盾和阿里巴巴等單位，成立了中國量子通信產業聯盟，通過整合研發製造和應用服務等各方的優勢資源，共同推進量子信息技術與產業的創新和應用。標準是引導和規範產業發展的重要工具，標準化也是產業發展成熟的必經之路。在全球量子通信技術與產業競爭中，標準制定的話語權對於企業生存和產業發展都至關重要。歐洲電信標準化協會於2010年成立量子密鑰分發標準組，開始相關標準研究，陸續發布了應用案例、器件介面、安全性證明和光器件特性等七項標準建議。2017年6月，中國通信標準化協會量子通信與信息技術特設任務組成立，下設量子通信工作組和量子信息處理兩個工作組，包含36家會員單位。特設任務組目前已經立項並開展兩項國家標準、一項行業標準和三項研究課題的研究工作，後續將有力支撐我國量子通信技術及產業應用的健康發展。

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