加量与加速量子通信的2021发展启幕

在过去的2020年，以量子信息科学为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿，激发革命性的科技创新，孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。量子科技浪潮的演进，有望改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力，为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。对很多人而言，量子神秘又耳熟能详。如今，这项前沿技术正成为“国之重器”。2020年的10月16日，第十九届第二十四次中央政治局集体学习会议的议题正是“量子科技研究和应用前景”。

一直以来，中国都高度重视量子信息科技的发展，在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术，产出了一批具有重要国际影响力的成果。之前，“墨子号”量子卫星和光量子计算原型机，尤其是2020年12月4日中国科学技术大学宣布潘建伟院士等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，让中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家（谷歌率先宣布量子计算机“悬铃木”在处理“随机线路采样”问题上实现量子霸权，而九章针对的是“高斯玻色取样”问题。两者针对的都是特定任务）。总体而言，我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位，在量子计算方面与发达国家处于同一水平线，在量子精密测量方面发展迅速。而今天聊的话题，则是量子科技将与通信、计算和传感测量等信息学科相融合，形成全新的量子信息技术领域，这对于2021年的通信行业发展有着巨大且具体的影响。

量子通信市场新布局

随着技术的发展和人们对于信息安全的日益重视，“量子通信”越来越频繁地出现在大众视野中。在我们所了解的奇异的微观世界，很多事情都无法用经典物理理论解释。量子作为物理世界的最小能量单位，具有不可分割性。当一对量子发生纠缠时，两者无论分离多远，只要一方运动发生改变，另一方同步做出相应变化。与此同时，不同于宏观世界中，你可以通过物体的速度测量出其对应位置，量子则具有测不准特性。你不可能同时知道一个量子的位置和速度数据。量子不可分割、不可复制、测不准的特性，构成了量子通信的基础。

随着数字经济的快速发展，人们在享受“数字红利”的同时，也面临着数字风险带来的挑战。由于技术的快速迭代，叠加主客观因素作用，导致出现治理手段滞后、技术能力对比、价值导向判断、不同主体博弈等等情况的“差异化表现”，从而催生新情况、新问题，带来新风险、新挑战。

这其中，一是制度规范滞后场景迭代，成为治理效能的“堵点”;二是数据安全问题迫在眉睫，成为各方关注的焦点;三是内容安全风险更加突出，成为着力整治的“难点”;四是基础设施安全风险外溢，成为全力保护的“重点”;五是大国博弈态势不断加剧，成为国际治理的痛点。

量子保密通信是首个从实验室走向实际应用的量子信息技术分支，也是近代社会以来，第一个由中国创造的新产业，这也意味着中国量子通信的发展除了能让我们享受技术和科技本身给生产力带来的提升以外，我们还将成为全球相关行业标准和规则的制定者。

在2021年之后，中国的量子通信将实现三大扩展：一是区域的扩展，从京津冀、长三角、海南等区域城际量子网扩展到全国、全球;二是产品的扩展，未来将出现光电集成度更高、功能更丰富的加密芯片和设备;三是应用的扩展，随着量子通信带宽的增加以及网络覆盖的加深，基于图片、视频、VR等传输形式的应用将出现。在国际上率先掌握能够形成先发优势、引领未来发展的颠覆性技术，率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系，推动我国的信息技术和产业核心竞争力实现跨越式提升，是中国量子科技领域的重要使命。

在量子通信方面，业内普遍认为中国量子通信将采取三步走策略，通过光纤实现量子通信城域网，通过量子中继器实现城际网，再通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网。

同样，周雷表示，量子通信技术发展需要在光学、微电子学、软件和集成技术、材料等各方面技术都同步发展，超导材料同样重要。

安全，始终是量子通信的重头戏

如前文所述，无疑量子科技已成为群雄逐鹿的新一轮科技革命和产业变革前沿阵地。业内人士分析，随着各方势力入局，量子领域有望加速产业化。过去的2020年是量子科学发展至关重要的一年，其发展不仅首次进入到我国最高决策层集体关注的视野中，还在多个方面产生了技术突破。

量子通信本质上是量子密钥的传输，利用量子纠缠可以将量子信息传输到另一个地点，而不是传送信息载体本身，一旦密钥被窃听，便会马上被发现，属于被严格证明的“无条件安全通信方式”。

已有的通信加密方式主要依赖计算复杂性，但无法避免被窃听。这也是为什么发生银行卡被盗刷、账号被盗用等情况时，通常事后才能发现问题。量子加密通信能有效避免上述情况。任何窃听、复制、测量行为，都会改变量子状态，被通信双方所获知，从而可以切换传输路径，防患于未然。

所以，国内量子通信产业化主要以量子保密通信为主。自2014年京沪干线开启建设以来，中国量子保密通信建设开始提速，骨干网、城域网、星地一体化网络建设不断完善，为量子通信向政务、金融、电力、交通等行业渗透打下基础。目前，国内已经建成的量子保密通信干线包括了“京沪干线”“武合干线”“沪杭干线”。城域量子通信网络方面，目前国家广域量子骨干网、山东“齐鲁干线”、广东粤港澳量子通信骨干网、江淮量子網、国防领域量子通信项目、量子通信卫星等多个重大工程处于在建状态。

要知道，量子通信以绝对安全和高效率性两大优势，成为各国重点抢占的战略技术高地。不过，产业化才是量子通信应用的试金石。据之前的《2020量子安全技术白皮书》显示，国内量子保密通信产业链的上下游生态逐渐健全，上游关键器件已基本实现自主可控。其中，光学调制器件的研发生产、芯片化集成基本上处于国际先进水平，单光子探测器件的核心近红外单光子雪崩二极管等，也实现了量产。

比如，2020年7月，“江宁区政务网量子通信专网项目”通过专家验收。2020年10月国网杭州供电公司通过应用量子通信技术为杭州亚运会供电保障提供重要支撑。引入量子信息技术，可对各级指挥中心和重要场馆之间的传输通道进行加密，可实现指挥体系中音视频通话、保电系统信息传输的绝对安全。至于已然走在量子通讯前沿的中国电信，则在2020年携手量子保密通信龙头企业国盾量子成立中电信量子科技有限公司。目前，双方正在研发一个支持量子安全通话的手机项目，据中国电信方面消息，预计在2021年上半年，面向民用市场带有量子通话功能的国产手机将会推出。

同时，我国计划2030年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络，并在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”。

量子互联网的魅力

“量子互联网”正成为各国发展的目标。今年5月，欧盟表示，将推动量子通信与传统网络基础设施和应用相结合，开发可用于全球安全密钥分发、基于卫星的量子密码，为未来“量子互联网”远景奠定基础。美国国家量子协调办公室在2020年2月就发布了《美国量子网络的战略构想》，明确构建世界首个量子互联网的目标，并提出未来5 年内实现从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道和探索跨洲际距离的天基纠缠分发，未来20年内，推动量子互联网链路利用网络化量子設备，实现经典技术无法实现的新功能。这场前沿技术竞争的胜者将抓住行业的话语权和广阔的市场。根据BCG预测，到2030年，量子计算的应用市场规模有望超过500亿美元。

目前保护在线数据的方法是使用数学问题进行加密，如果你有一把解锁的数字“钥匙”，就可以很容易解开数学问题，从而破解密码;如果没有这把“钥匙”的话，密码就很难破解。然而，很难并不意味着不可能，只要有足够的时间和计算能力，今天的加密方法都是可以破解。相比之下，量子通信使用光的单个粒子（光子）来创建密钥，而根据量子物理学原理，你不可能制造出精确的密钥副本。复制这些密钥的任何尝试都将不可避免地导致可被检测的错误。这意味着，无论黑客多么聪明、多么强大，也无论他们拥有什么样的超级计算机，都无法复制量子密钥或读取加密的信息。

这一概念已经在卫星和光纤电缆上得到验证，并被用于在不同国家之间发送安全信息。那么，为什么我们还没有在日常生活中使用它呢？答案是，实现这一概念需要昂贵的专门技术，意味着目前还无法扩展。那么，距离通用量子计算机进入千家万户还要等多久，这个问题需要相关技术同步发展，其中超导材料是重要部分。传统计算机发展突飞猛进，正是得益于晶体管到硅片的跃迁。尽管国内量子通信处于领先地位，接下来需要解决的还有着商业化的掣肘。

据了解，目前量子通信带宽有限。目前量子通信的密钥分发的速率可以达到几kbps到几百kbps，以国盾量子为例，QKD（量子密钥分发）设备在某些距离成码率为80Kbps，可以满足在传输某些文件和语音数据时使用“一次一密”。而一套QKD加密设备约30万元，一套量子城域网需要成百上千套QKD，意味着更高的投入成本。

实际上，作为量子通信最主要应用的量子密钥分发（QKD），对于全球当下和未来的通信系统至关重要，应用QKD的量子保密通信技术，已成为增强网络空间安全的战略前沿技术。据相关报告显示，仅中国量子通信市场规模预计在2025年将达近千亿元人民币，这个市场的确巨大。

我们知道，QKD是一种理论上可以提供无条件安全密钥分发的技术，也是目前最安全的密钥传输方式，量子的不可分割、不可克隆定理、海森堡测不准原理是QKD技术的理论安全物理基础，借助QKD技术，通信双方可以在量子信道上生成只有他们双方知道的共享随机密钥，并通过该密钥加密和解锁消息，一旦有人窃听密钥，接受者一端误码率会发生变化，窃听行为就会被发现，通信双方将会重新生成新密钥，保障通信安全。QKD技术发展至今已有30多年，从2003年起各国逐步开展了QKD试点应用和试验网建设，目前已进入规模化应用阶段，这背后离不开政府、高校、研究机构以及企业的共同努力。

结语

显然，在竞争激烈的量子科技领域，我国科学家不断取得新的突破，量子计算原型机“九章”问世，树起了一座举世瞩目的里程碑，量子通信方面的研究更是走在了世界前列;天地一体化的广域量子通信网络正在构建形成，有望引领量子互联网的革命，出现量子物联网、量子云计算等先进形态。

而量子保密通信被认为是下一代信息通信领域重要的基础性、支撑性技术，量子密钥分发技术是当前量子保密通信的基础，正不断获得市场的关注和认可。总之，量子是时代的必然，量子理论和技术正迅速发展，量子将毫无疑问地改变世界，这一切从2021年开始会有更明确的表现。