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

　　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，人類對于微觀世界的認(rèn)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(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，計劃10年內(nèi)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(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)隊在該領(lǐng)域與世界先進(jìn)水平基本保持同步，成為推動量子通信技術(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，東芝歐研所報道了光量子態(tài)與傳統(tǒng)光信號基于波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)共纖傳輸和對高速信號進(jìn)行實(shí)時加密，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(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、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個可信中繼站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)距離超2000公里的全球首個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)用與推廣的新動力。

　　量子通信單跨段最大傳輸距離為百公里量級，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。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”，并報道了多項(xiàng)基于“墨子號”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

　　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工作組，包含36家會員單位。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。