量子通信技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快

　　ICCSZ訊  網(wǎng)絡(luò )信息安全形勢日益復雜，量子通信作為從物理機制上實(shí)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(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)。其中，能夠進(jìn)行信息直接傳輸的量子隱形傳態(tài)技術(shù)仍處于實(shí)驗研究的探索階段，是量子信息領(lǐng)域基礎科研的前沿熱點(diǎn)。而以量子密鑰分發(fā)為核心的量子保密通信技術(shù)，能夠大幅度提升現有通信技術(shù)的信息傳輸安全性，在政務(wù)、金融、外交等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，近年來(lái)在技術(shù)研究、試點(diǎn)應用和產(chǎn)業(yè)推廣等方面發(fā)展迅速。

　　量子通信成為國家科技實(shí)力競爭的重要戰場(chǎng)之一

　　上世紀中葉，隨著(zhù)量子力學(xué)的創(chuàng )立和發(fā)展，人類(lèi)開(kāi)始認識和利用電子、光子和原子等微觀(guān)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(huì )的形成和發(fā)展奠定了基礎。近年來(lái)，隨著(zhù)單量子態(tài)調控和原子激光冷卻等技術(shù)的突破和發(fā)展，人類(lèi)對于微觀(guān)世界的認識和操控能力進(jìn)一步提升，量子技術(shù)和信息科學(xué)相融合的量子科技革命第二次浪潮即將來(lái)臨。其中以量子通信和量子計算等為代表的量子信息技術(shù)的研究與應用，在未來(lái)國家科技競爭、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(jīng)濟建設等領(lǐng)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(kāi)，競爭態(tài)勢日益明顯。近年來(lái)，美國通過(guò)“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)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(jīng)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、模擬和傳感四大領(lǐng)域的研究和應用推廣。英國發(fā)布“國家量子技術(shù)計劃”，投資2.7億英鎊支持量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心。日本成立量子信息和通信研究促進(jìn)會(huì )，計劃10年內投資400億日元，支持量子通信和計算等領(lǐng)域的研發(fā)攻關(guān)。我國在2016年發(fā)布的“十三五”規劃綱要中提出著(zhù)力構建量子通信和泛在安全物聯(lián)網(wǎng)，并在多項科技與信息產(chǎn)業(yè)規劃中將量子通信列為戰略性新興產(chǎn)業(yè)。同年，科技部設立“量子調控與量子信息”重點(diǎn)專(zhuān)項，部署量子通信和計算等領(lǐng)域的戰略性前沿研究。

　　作為量子信息領(lǐng)域中最接近實(shí)用化的技術(shù)，近年來(lái)量子通信在理論驗證、實(shí)用化水平提升和新應用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)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(lǐng)域與世界先進(jìn)水平基本保持同步，成為推動(dòng)量子通信技術(shù)進(jìn)步的重要力量。在量子隱形傳態(tài)的研究探索方面，2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)克服傳統實(shí)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，中科大首次完成基于單光子偏振和軌道角動(dòng)量的多自由度量子隱形傳態(tài)實(shí)驗，并于2016年首次完成了30公里城域光纖現網(wǎng)的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗，成為量子通信研究領(lǐng)域的代表性成果。在量子密鑰分發(fā)的實(shí)用化研究方面，2016年，東芝歐研所報道了光量子態(tài)與傳統光信號基于波分復用實(shí)現共纖傳輸和對高速信號進(jìn)行實(shí)時(shí)加密，提升了量子密鑰分發(fā)的實(shí)用性。2017年，中科大報道了基于新型測量設備無(wú)關(guān)協(xié)議的404公里光纖線(xiàn)路量子密鑰分發(fā)實(shí)驗，提升了傳輸距離極限。同年，英國布里斯托大學(xué)和牛津大學(xué)還分別報道了基于光子集成電路的芯片化量子密鑰收發(fā)器和基于空間光的手持式量子密鑰終端，為量子密鑰分發(fā)設備和應用的演進(jìn)奠定基礎。

　　量子保密通信應用試點(diǎn)逐步開(kāi)展，我國量子衛星占先機

　　量子保密通信的高安全性?xún)?yōu)勢受到世界各國政府和信息通信業(yè)界的重視，近年來(lái)的試點(diǎn)應用和網(wǎng)絡(luò )建設項目廣泛開(kāi)展。2015年，美國B(niǎo)attelle公司建成俄亥俄至華盛頓650公里的量子保密通信光纖線(xiàn)路，并公布連接美國東西海岸的環(huán)美量子通信骨干網(wǎng)絡(luò )建設計劃。同年，韓國政府宣布投資電信運營(yíng)商SKT開(kāi)始分階段建設覆蓋全境的量子通信網(wǎng)絡(luò )，并逐步在政府和商業(yè)網(wǎng)絡(luò )中采用量子加密技術(shù)。2016年，英國量子通信中心開(kāi)始建設連接布里斯托、倫敦和劍橋三地的量子通信試驗網(wǎng)絡(luò )，意大利也啟動(dòng)了總長(cháng)1700公里貫穿全境的量子通信骨干網(wǎng)建設項目。

　　我國面臨的信息安全形勢日益復雜，在政務(wù)、金融和關(guān)鍵基礎設施等領(lǐng)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(diǎn)應用呈現出需求牽引、政策驅動(dòng)、快速發(fā)展的特點(diǎn)。2004年，中科大在北京至天津125公里現網(wǎng)光纖中完成首次量子密碼傳輸，之后相繼在北京、濟南、蕪湖、合肥與上海等地建立了多個(gè)城域量子保密通信實(shí)驗示范網(wǎng)，新華社金融信息量子保密通信驗證專(zhuān)線(xiàn)以及關(guān)鍵部門(mén)間的量子通信熱線(xiàn)等。2016年，發(fā)改委牽頭投資的量子保密通信“京滬干線(xiàn)”項目全線(xiàn)貫通，基于32個(gè)可信中繼站點(diǎn)，實(shí)現距離超2000公里的全球首個(gè)廣域量子保密通信骨干線(xiàn)路。2017年，量子保密通信“滬杭干線(xiàn)”、“寧蘇干線(xiàn)”和“武合干線(xiàn)”等一批由地方政府和社會(huì )資本參與投資的項目紛紛開(kāi)始建設，成為我國量子保密通信產(chǎn)業(yè)化應用與推廣的新動(dòng)力。

　　量子通信單跨段最大傳輸距離為百公里量級，實(shí)現長(cháng)距離傳輸需要進(jìn)行中繼。目前量子中繼技術(shù)尚不成熟，衛星平臺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(yōu)點(diǎn)，成為在長(cháng)距離量子通信中進(jìn)行糾纏分發(fā)或密鑰中繼的理想平臺。我國從2010年起，由中科院等單位牽頭設立相關(guān)領(lǐng)域的戰略先導專(zhuān)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(shí)驗驗證。2016年8月，我國成功發(fā)射全球首顆量子通信科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”，并報道了多項基于“墨子號”衛星的重要研究成果，典型包括：首次實(shí)現1200公里糾纏光子分發(fā)測量，驗證量子力學(xué)原理在空間大尺度環(huán)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(fā)，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(tài)，為超遠距離量子通信組網(wǎng)奠定基礎。與同期的德、日、新、加等國的類(lèi)似實(shí)驗報道相比，我國在星地量子通信領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程應用水平處于領(lǐng)先，體現出集中力量辦大事的制度優(yōu)勢。

　　量子保密通信產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，標準化工作啟動(dòng)

　　隨著(zhù)近年來(lái)試點(diǎn)應用和網(wǎng)絡(luò )建設項目的推進(jìn)，我國量子保密通信產(chǎn)業(yè)初步建立，形成了包含技術(shù)研究、系統集成、建設運維和安全應用等相應的產(chǎn)業(yè)鏈。以中科院及中科大等為代表的研究機構在協(xié)議算法研究和核心器件研發(fā)及國產(chǎn)化方面取得了大量成果，為保證我國量子保密通信產(chǎn)業(yè)在核心技術(shù)領(lǐng)域不受制于人奠定了堅實(shí)基礎。國盾量子、問(wèn)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(fā)系統、組網(wǎng)設備和整體應用解決方案的能力，在市場(chǎng)和研發(fā)能力等方面也進(jìn)一步增強，成為推動(dòng)量子保密通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量。國科量子、亨通問(wèn)天量子和神州量子等項目建設與運維單位，依托在建和已完成的量子保密通信城域網(wǎng)絡(luò )和干線(xiàn)項目，為政務(wù)、金融和行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)應用提供信息安全加密服務(wù)，并逐步拓展量子安全認證和量子加密終端等新型應用場(chǎng)景與市場(chǎng)。以新華社、工商銀行和阿里巴巴等為代表的政企與行業(yè)客戶(hù)，開(kāi)始采用量子保密通信設備和量子密鑰進(jìn)行專(zhuān)網(wǎng)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(zhù)量子保密通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈合作與標準化研究等工作也逐步展開(kāi)。2015年年底，由中科院牽頭，聯(lián)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(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，通過(guò)整合研發(fā)制造和應用服務(wù)等各方的優(yōu)勢資源，共同推進(jìn)量子信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的創(chuàng )新和應用。標準是引導和規范產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要工具，標準化也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟的必經(jīng)之路。在全球量子通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)競爭中，標準制定的話(huà)語(yǔ)權對于企業(yè)生存和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都至關(guān)重要。歐洲電信標準化協(xié)會(huì )于2010年成立量子密鑰分發(fā)標準組，開(kāi)始相關(guān)標準研究，陸續發(fā)布了應用案例、器件接口、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(xié)會(huì )量子通信與信息技術(shù)特設任務(wù)組成立，下設量子通信工作組和量子信息處理兩個(gè)工作組，包含36家會(huì )員單位。特設任務(wù)組目前已經(jīng)立項并開(kāi)展兩項國家標準、一項行業(yè)標準和三項研究課題的研究工作，后續將有力支撐我國量子通信技術(shù)及產(chǎn)業(yè)應用的健康發(fā)展。