量子通信：未來自主可控信息安全生態(tài)的重要保障

“量子”已經(jīng)是當(dāng)下的熱門研究領(lǐng)域。作為吃瓜群眾，可能用過“遇事不決，量子力學(xué)”的梗，也可能交過“量子茶杯”的智商稅……不過，到底量子科技是什么？你知道嗎？圍繞量子信息科技主題，潘建偉院士團(tuán)隊撰寫了本科普文章，對量子信息科技進(jìn)行了較為完整的介紹和展望。

信息安全是事關(guān)國計民生的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域。傳統(tǒng)的信息安全通過依賴于計算復(fù)雜度的加密算法來實現(xiàn)，然而隨著計算能力的飛速發(fā)展，依賴于計算復(fù)雜度的傳統(tǒng)加密算法面臨著日益加劇的安全風(fēng)險。

基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信是迄今唯一原理上無條件安全的通信方式。

量子密鑰分發(fā)是指利用量子態(tài)來加載信息，通過一定的協(xié)議產(chǎn)生密鑰。量子力學(xué)基本原理保證了密鑰的不可竊聽，從而實現(xiàn)安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基于物理學(xué)基本原理，與計算復(fù)雜度無關(guān)，即使未來強大的量子計算機問世也不會對其安全性形成威脅。

量子保密通信是最先走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的量子信息技術(shù)。通過量子密鑰分發(fā)所生成的安全密鑰，除了原理上無條件安全的“一次一密”加密方式外，還可以與經(jīng)典對稱加密算法相結(jié)合，兼顧安全性與通信速率。例如，按照現(xiàn)有技術(shù)水平，量子密鑰分發(fā)與AES(高級加密標(biāo)準(zhǔn))加密算法相結(jié)合，可以達(dá)到Gbps(交換帶寬)的通信速率，同時大幅提升種子密鑰的更新率，有效提升通信安全水平。此外，也可與下一代的“PQC(抗量子計算密碼)”相結(jié)合，增強身份認(rèn)證等的安全性。

廣域量子通信的發(fā)展路線

量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過中繼器實現(xiàn)鄰近兩個城市之間的連接，最終通過衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。

在城域量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先后建成國際上首個全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、首個量子政務(wù)網(wǎng)以及首個規(guī)?；怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，并在這一過程中將相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟，自主研制的量子保密通信裝備已經(jīng)為很多重要活動提供了信息安全保障。

在基于可信中繼的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，國際上首條遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”，于2016年底全線貫通。干線全長2000余公里，連接北京和上海，貫穿濟(jì)南、合肥等地。在沿線金融、政務(wù)、電力等部門的合作下，開展遠(yuǎn)距離量子保密通信的技術(shù)驗證與應(yīng)用示范。

在“京滬干線”應(yīng)用示范的基礎(chǔ)上，國家發(fā)展改革委于2018年2月批復(fù)了“國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)”項目，將覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區(qū)域，推動量子保密通信的規(guī)?；瘧?yīng)用。

在星地自由空間量子通信方面，在中國科學(xué)院的支持下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位，研制成功世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。

“墨子號”于2016年8月發(fā)射升空，在國際上率先實現(xiàn)了星地量子通信，首次實現(xiàn)了距離達(dá)7600公里的洲際量子通信，充分驗證了基于衛(wèi)星平臺實現(xiàn)全球化量子通信的可行性。

利用“墨子號”積累的成功經(jīng)驗，量子衛(wèi)星的研制成本已由數(shù)億元降到千萬元量級，預(yù)計2022年初小型化量子衛(wèi)星將發(fā)射升空，為構(gòu)建低成本的星群奠定基礎(chǔ)。地面接收站的重量也已由十幾噸降到100公斤左右，可初步支持移動量子通信。結(jié)合“墨子號”量子衛(wèi)星與“京滬干線”，我國率先構(gòu)建了天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，成為近年來國際量子信息研究的一大標(biāo)志性事件。

量子通信技術(shù)應(yīng)用推廣

2020年10月16日，中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記主持學(xué)習(xí)并指出，“統(tǒng)籌基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子通信等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技國際競爭制高點，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢”?！熬删€”和“墨子號”量子衛(wèi)星等，都是基于我國前期，10余年的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成果而進(jìn)行的工程化集成與驗證項目，為核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定和未來規(guī)?；膽?yīng)用起到了良好的示范效果，穩(wěn)步推進(jìn)了量子保密通信在商業(yè)和國家安全領(lǐng)域的應(yīng)用。

在核心量子通信器件方面，中國電子科技集團(tuán)有限公司、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等實現(xiàn)了通信波段單光子探測器和量子隨機數(shù)產(chǎn)生器等主要器件的初步國產(chǎn)化，打破了國外禁運的壁壘。在未來2至3年，通過關(guān)鍵器件的芯片化，量子加密設(shè)備的尺寸可縮小到手機大小，并大幅降低成本。相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)制定方面，在我國50余家科研機構(gòu)和企業(yè)的積極參與下，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會、全國信息安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會等國家標(biāo)準(zhǔn)組織，圍繞量子保密通信技術(shù)的互聯(lián)互通、安全測評、應(yīng)用服務(wù)等方面，編制了多項國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我國學(xué)者突破了美加等西方國家的阻礙，在國際電信聯(lián)盟發(fā)起成立了國際首個涵蓋量子信息全領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化組織，目前正在牽頭編制多項國際標(biāo)準(zhǔn)。

量子通信技術(shù)發(fā)展前景

近年來，我國學(xué)者在單光子雷達(dá)領(lǐng)域已取得了一批具有國際影響力的成果：突破了常溫下探測紅外單光子的量子效率極限，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離紅外單光子大氣雷達(dá)探測；實現(xiàn)了大氣風(fēng)場的晝夜連續(xù)探測，并創(chuàng)造了200公里的單光子成像最遠(yuǎn)距離世界紀(jì)錄。

同時，利用單光子雷達(dá)能夠?qū)﹄[藏在視線外的物體進(jìn)行觀測，即“非視域成像”，實現(xiàn)“隔墻觀物”，在反恐防暴、緊急救援等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景;實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離非視域成像，首次將成像距離從米級提高到公里級，極大地推動了非視域成像技術(shù)的實用化發(fā)展。

量子通信研究中發(fā)展的單光子探測技術(shù)還可以極大地提升傳統(tǒng)激光雷達(dá)的探測靈敏度、探測距離、分辨率等性能，即“單光子雷達(dá)”。單光子雷達(dá)可以實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離、高精度軟目標(biāo)(大氣)和硬目標(biāo)(物體)的探測，已經(jīng)在對地測繪、遠(yuǎn)程預(yù)警、全球態(tài)勢感知、大氣污染檢測和預(yù)報、航空航天作業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

得益于我國率先開展了廣域量子通信的技術(shù)驗證與應(yīng)用示范，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已初步滿足實用化要求，核心器件的國產(chǎn)化和設(shè)備的小型化已初步實現(xiàn)，具備了在關(guān)鍵部門先行先試的條件。在激烈的國際競爭環(huán)境下，當(dāng)前正是我國加快推進(jìn)量子保密通信應(yīng)用，盡早形成信息安全非對稱優(yōu)勢的最佳時機。通過10年左右的努力，我國有望構(gòu)建完整的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，為形成未來自主可控的國家信息安全生態(tài)提供重要保障。