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(fù)雜，量子通信作為從物理機(jī)制上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的信息傳輸?shù)男滦屯ㄐ欧绞?，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?shù)牧孔与[形傳態(tài)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)研究的探索階段，是量子信息領(lǐng)域基礎(chǔ)科研的前沿?zé)狳c(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(xiàn)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(yīng)用前景，近年來在技術(shù)研究、試點(diǎn)應(yīng)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(zhàn)場之一

　　上世紀(jì)中葉，隨著量子力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展，人類開始認(rèn)識(shí)和利用電子、光子和原子等微觀粒子的獨(dú)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(dǎo)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(chǔ)。近年來，隨著單量子態(tài)調(diào)控和原子激光冷卻等技術(shù)的突破和發(fā)展，人類對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)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臨。其中以量子通信和量子計(jì)算等為代表的量子信息技術(shù)的研究與應(yīng)用，在未來國家科技競爭、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略意義。

　　世界多國量子通信研究與應(yīng)用的政策支持與項(xiàng)目布局全面展開，競爭態(tài)勢日益明顯。近年來，美國通過“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”等項(xiàng)目，持續(xù)支持量子通信和量子計(jì)算等前沿研究和應(yīng)用，每年的研究經(jīng)費(fèi)投入達(dá)2億美元。歐盟公布“量子宣言”，投資10億歐元，支持量子計(jì)算、通信、模擬和傳感四大領(lǐng)域的研究和應(yīng)用推廣。英國發(fā)布“國家量子技術(shù)計(jì)劃”，投資2.7億英鎊支持量子通信、傳感、成像和計(jì)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(jì)劃10年內(nèi)投資400億日元，支持量子通信和計(jì)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(guī)劃綱要中提出著力構(gòu)建量子通信和泛在安全物聯(lián)網(wǎng)，并在多項(xiàng)科技與信息產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中將量子通信列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。同年，科技部設(shè)立“量子調(diào)控與量子信息”重點(diǎn)專項(xiàng)，部署量子通信和計(jì)算等領(lǐng)域的戰(zhàn)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)，近年來量子通信在理論驗(yàn)證、實(shí)用化水平提升和新應(yīng)用場景開發(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(tuán)隊(duì)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的光子探測效率和傳輸距離漏洞，充分驗(yàn)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(yàn)，并于2016年首次完成了30公里城域光纖現(xiàn)網(wǎng)的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，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(bào)道了光量子態(tài)與傳統(tǒng)光信號(hào)基于波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)共纖傳輸和對(duì)高速信號(hào)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(bào)道了基于新型測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議的404公里光纖線路量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，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(bào)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(shè)備和應(yīng)用的演進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

　　量子保密通信應(yīng)用試點(diǎn)逐步開展，我國量子衛(wèi)星占先機(jī)

　　量子保密通信的高安全性優(yōu)勢受到世界各國政府和信息通信業(yè)界的重視，近年來的試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)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，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(shè)計(jì)劃。同年，韓國政府宣布投資電信運(yùn)營商SKT開始分階段建設(shè)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始建設(shè)連接布里斯托、倫敦和劍橋三地的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，意大利也啟動(dòng)了總長1700公里貫穿全境的量子通信骨干網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目。

　　我國面臨的信息安全形勢日益復(fù)雜，在政務(wù)、金融和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用呈現(xiàn)出需求牽引、政策驅(qū)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(xiàn)網(wǎng)光纖中完成首次量子密碼傳輸，之后相繼在北京、濟(jì)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(yàn)示范網(wǎng)，新華社金融信息量子保密通信驗(yàn)證專線以及關(guān)鍵部門間的量子通信熱線等。2016年，發(fā)改委牽頭投資的量子保密通信“京滬干線”項(xiàng)目全線貫通，基于32個(gè)可信中繼站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)距離超2000公里的全球首個(gè)廣域量子保密通信骨干線路。2017年，量子保密通信“滬杭干線”、“寧蘇干線”和“武合干線”等一批由地方政府和社會(huì)資本參與投資的項(xiàng)目紛紛開始建設(shè)，成為我國量子保密通信產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(jí)，實(shí)現(xiàn)長距離傳輸需要進(jìn)行中繼。目前量子中繼技術(shù)尚不成熟，衛(wèi)星平臺(tái)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(tái)。我國從2010年起，由中科院等單位牽頭設(shè)立相關(guān)領(lǐng)域的戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)，相繼在北京八達(dá)嶺和青海湖等地完成多項(xiàng)自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，并報(bào)道了多項(xiàng)基于“墨子號(hào)”衛(wèi)星的重要研究成果，典型包括：首次實(shí)現(xiàn)1200公里糾纏光子分發(fā)測量，驗(yàn)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(wèi)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(yuǎn)距離量子通信組網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。與同期的德、日、新、加等國的類似實(shí)驗(yàn)報(bào)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(yīng)用水平處于領(lǐng)先，體現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)化工作啟動(dòng)

　　隨著近年來試點(diǎn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)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(tǒng)集成、建設(shè)運(yùn)維和安全應(yīng)用等相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈。以中科院及中科大等為代表的研究機(jī)構(gòu)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國盾量子、問天量子和九州量子等系統(tǒng)設(shè)備商，具備提供商用化的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)、組網(wǎng)設(shè)備和整體應(yīng)用解決方案的能力，在市場和研發(fā)能力等方面也進(jìn)一步增強(qiáng)，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、亨通問天量子和神州量子等項(xiàng)目建設(shè)與運(yùn)維單位，依托在建和已完成的量子保密通信城域網(wǎng)絡(luò)和干線項(xiàng)目，為政務(wù)、金融和行業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用提供信息安全加密服務(wù)，并逐步拓展量子安全認(rèn)證和量子加密終端等新型應(yīng)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(yè)客戶，開始采用量子保密通信設(shè)備和量子密鑰進(jìn)行專網(wǎng)的信息安全防護(hù)，交易數(shù)據(jù)的加密傳輸以及數(shù)據(jù)中心的安全備份等應(yīng)用。

　　隨著量子保密通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈合作與標(biāo)準(zhǔn)化研究等工作也逐步展開。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，通過整合研發(fā)制造和應(yīng)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(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)是引導(dǎo)和規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要工具，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)制定的話語權(quán)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于2010年成立量子密鑰分發(fā)標(biāo)準(zhǔn)組，開始相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究，陸續(xù)發(fā)布了應(yīng)用案例、器件接口、安全性證明和光器件特性等七項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)建議。2017年6月，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組成立，下設(shè)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(shè)任務(wù)組目前已經(jīng)立項(xiàng)并開展兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)、一項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和三項(xiàng)研究課題的研究工作，后續(xù)將有力支撐我國量子通信技術(shù)及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的健康發(fā)展。