基于量子通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用探討

任海旭

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司技術(shù)一分院，成都　610041）

1　應(yīng)用現(xiàn)狀

量子通信作為一種新型的傳遞方式，它的核心點是基于量子糾纏效應(yīng)，利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行密鑰和信息的傳輸，是信息論和量子論相互結(jié)合的全新領(lǐng)域。

量子通信的基本原理主要實現(xiàn)通信雙方之間的密鑰共享，綜合對稱密鑰體制，理論上可以實現(xiàn)通信的絕對安全?，F(xiàn)階段，國外的量子通信應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，正在呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，逐步滲透到現(xiàn)實生活中的方方面面。例如，美國某知名研究機(jī)構(gòu)Battelle設(shè)計了量子通信網(wǎng)絡(luò)，為亞馬遜、微軟等科技巨頭提供量子通信安全服務(wù)，所提的方案主要基于量子密鑰結(jié)合密碼中繼的方式，并且得到了廣泛的好評。在國內(nèi)，量子通信起步較晚但發(fā)展迅速，并且已經(jīng)取得了很大的成果。2017年，由首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士主持領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊在量子通信領(lǐng)域取得了歷史性的突破，所研究的“墨子”號第一次成功實現(xiàn)“千公里級”星地雙向量子通信，相關(guān)的科研成果在國際上著名的《自然》和《科學(xué)》上。如圖1所示。標(biāo)志著中國已經(jīng)在量子通信衛(wèi)星領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)著領(lǐng)先地位。“墨子”號將中國的信息保密技術(shù)提升到前所未有的高度，奠定了中國在該領(lǐng)域的世界先發(fā)優(yōu)勢。在云計算領(lǐng)域，阿里云發(fā)布了云量子通信產(chǎn)品，對量子設(shè)備和公共云平臺的技術(shù)融合進(jìn)行了測試和驗證，并正在謀求量子通信應(yīng)用的深化。未來的手機(jī)通信領(lǐng)域，光纖都有可能采用量子通信來保障手機(jī)通信的安全。

圖1　自然科學(xué)對“墨子”號的報道

近年來，經(jīng)過蓬勃迅速的發(fā)展，國內(nèi)民用量子通信已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，但是同時也暴露了一些亟待解決的問題：一是投入較高，量子通信需要的應(yīng)用場景有限。量子通信市場比較分散，應(yīng)用比較局限，現(xiàn)階段主要面向金融、政務(wù)等場景，這些場景的主要特點是要求安全性比較高。如果對這些場景中的量子通信升級，這就要求較高的投入。而且，改造完成以后，后期運(yùn)營維護(hù)的成本也不容忽視，要求不斷地進(jìn)行投入。二是安全性面臨著一定的風(fēng)險。量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)在生成密鑰時效率較低，在對要求一次一密的高質(zhì)量業(yè)務(wù)加密時難以滿足其要求，從而對安全性造成一定的風(fēng)險。三是技術(shù)瓶頸的限制。量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)的核心器件，如高性能光子探測器、單光子源等器件的發(fā)展較為緩慢。在組網(wǎng)方面，由于糾纏操控技術(shù)目前還不成熟，基于糾纏操控技術(shù)的中繼方案還難以應(yīng)用。包括目前還未付諸實驗驗證的量子通信平臺，圍繞新型方案的各種關(guān)鍵技術(shù)都有待進(jìn)一步驗證才能應(yīng)用。

2　產(chǎn)業(yè)化推廣

當(dāng)一項新型的技術(shù)出現(xiàn)時，對其進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化無疑是使其發(fā)展壯大的必經(jīng)之路。目前，量子通信的意義已經(jīng)吸引了國內(nèi)外各大科研機(jī)構(gòu)的強(qiáng)烈關(guān)注，并對其進(jìn)行了投資研究，期待能盡快實施產(chǎn)業(yè)化推廣。國家也從未停止過對其進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的步伐，對本鄰域的政策扶持和專項投入提供了巨大的支持。例如，中科大科研團(tuán)隊發(fā)起成立了量子產(chǎn)業(yè)化實體“中國量子通信產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，以期實現(xiàn)科研成果向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化。在電力領(lǐng)域，利用量子保密通信技術(shù)對電力領(lǐng)域重要數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息進(jìn)行異地加密傳輸，開展了基于量子通信保密業(yè)務(wù)的安全防護(hù)。

但是在大規(guī)模的推廣應(yīng)用過程中，面臨一些挑戰(zhàn)：一是高投入。在量子通信組網(wǎng)過程中，大量額外的光纖資源需要支持，對量子通信的市場化推廣造成限制?；A(chǔ)設(shè)施資源，包括光纖、光通信設(shè)備以及設(shè)備后期的升級改造要求高投入。二是標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)和技術(shù)研發(fā)滯后。任何高新技術(shù)，走在世界的前列，意味著在陌生的世界摸索，這就造成新技術(shù)前期的開發(fā)耗時、復(fù)雜和高昂。當(dāng)前的量子通信技術(shù)正處于這樣的一個階段。滯后的標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)和技術(shù)研發(fā)使得進(jìn)入一個瓶頸期。三是產(chǎn)業(yè)化供應(yīng)鏈的完善耗時較長。與傳統(tǒng)的光學(xué)器件不同，量子通信的核心器件的生產(chǎn)能力、供貨能力以及性能參數(shù)都影響著產(chǎn)業(yè)化的推廣，供應(yīng)鏈的完善建立必然需要較長的時間。四是初階階段艱難。在產(chǎn)業(yè)化的初級階段，面對著有限的高端客戶，要求系統(tǒng)安全性較高，不得不投資巨大，從而提高了這個行業(yè)的高門檻要求。

基于上述所面臨的問題，國家層面可以加大專項投入和政策支持，在關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，形成核心的競爭優(yōu)勢。例如，通過高校、研究所等科研機(jī)構(gòu)建立重大專項和科研基金的形式，推動量子通信關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作。制定相關(guān)領(lǐng)域的政策，吸引量子通信相關(guān)的設(shè)備商和運(yùn)營商參與其中，壯大科研力量。在攻關(guān)過程中，積極加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

3　結(jié)束語

在未來的信息通信行業(yè)，量子通信將作為一個有望與國際高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展同步的富有戰(zhàn)略意義的制高點，成為未來的國家綜合科技實力的主戰(zhàn)場之一?；诹孔油ㄐ偶夹g(shù)的研究和應(yīng)用受到越來越多的重視和關(guān)注。但我們也必須正視現(xiàn)階段量子通信技術(shù)的局限和不足，并未達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用推廣的條件。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)等方面有待進(jìn)一步取得突破，相信在不久的未來，量子通信技術(shù)在國家安全領(lǐng)域等諸多方面必將擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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