量子通信產(chǎn)業(yè)化之路探索

劉玉琢 柏亮

摘 要：作為新一代信息技術(shù)，量子通信技術(shù)憑借在安全性方面的先天優(yōu)勢，受到國際社會廣泛關(guān)注。經(jīng)過多年努力，我國在量子通信技術(shù)研究和應(yīng)用方面均達(dá)到世界領(lǐng)先水平，參與企業(yè)不斷增多，已基本形成量子通信產(chǎn)業(yè)鏈。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國在量子通信產(chǎn)業(yè)化方面還存在標(biāo)準(zhǔn)缺失、量子穩(wěn)定性差以及配套建設(shè)成本高等諸多問題。通過文獻(xiàn)資料研究和專家訪談等方式，文章從制度化保障、促進(jìn)規(guī)?；l(fā)展和強化國際合作三方面，提出了我國量子通信產(chǎn)業(yè)化的對策建議，為我國量子通信產(chǎn)業(yè)化之路提供支撐。

關(guān)鍵詞：量子通信；產(chǎn)業(yè)化；信息安全

中圖分類號：TN918；O413 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

2018年伊始，由中國科學(xué)院和中國工程院院士投票評選的2017年中國十大科技進(jìn)展結(jié)果出爐，量子通信赫然在列；而在2017年末由《自然》雜志評選的2017年度十大人物中，潘建偉教授也憑借在量子通信上的貢獻(xiàn)榜上提名。量子通信無疑已經(jīng)成為當(dāng)今世界通信領(lǐng)域的新寵，我國更是走在了世界前列，不僅在關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得重大突破，更在實踐應(yīng)用中獲得巨大成功。但是，作為一項新型尖端科技，量子通信距離真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍有一段路程。因此，我國若想繼續(xù)領(lǐng)跑全球量子通信，必須要探索出一條適合其技術(shù)特點的產(chǎn)業(yè)化之路，率先實現(xiàn)量子通信產(chǎn)業(yè)化。

2 我國量子通信技術(shù)已初步具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)

2.1 技術(shù)逐漸走向成熟

近年來，我國在量子通信領(lǐng)域成績斐然，取得了多項世界領(lǐng)先研究成果，并且已經(jīng)將科研成果逐漸轉(zhuǎn)化到實用狀態(tài)。在長距離量子通信方面，“墨子號”實現(xiàn)了洲際量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，并利用共享密鑰實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信，為構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實基礎(chǔ)。在新型量子比特編碼方面，郭光燦團隊首次在砷化鎵半導(dǎo)體量子芯片中成功實現(xiàn)量子相干特性好、操控速度快、可控性強的電控新型編碼量子比特。在關(guān)鍵器件制造方面，我國成功實現(xiàn)了世界上最快的68Gbps的量子隨機數(shù)發(fā)生器，為未來超高速量子密碼系統(tǒng)的量子隨機數(shù)需求提供了可行的解決方案；1.25 GHz InGaAs/InP單光子探測器單片集成讀出電路技術(shù)的實現(xiàn)，可使高速量子通信終端設(shè)備中體積占比最大的探測器模塊尺寸減小一個數(shù)量級以上，為研制小型化量子通信系統(tǒng)奠定了重要的器件基礎(chǔ)。

2.2 參與單位不斷增多

隨著量子通信應(yīng)用的陸續(xù)開展，越來越多企業(yè)看到量子通信廣闊的市場前景，紛紛涉足該領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2017年底，我國已陸續(xù)有36家單位涉足量子通信，其中A股上市企業(yè)有23家，市值高達(dá)4600億元。隨著參與企業(yè)的增多，多種形式的校企合作也陸續(xù)展開。阿里巴巴集團旗下的阿里云與中科院成立了“中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計算實驗室”，共同開展在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的前瞻性研究，研制量子計算機。華為中央研究院啟動了量子技術(shù)與未來ICT產(chǎn)業(yè)的契合點研究。藍(lán)盾科技與華南師范大學(xué)簽署了《共建量子密碼技術(shù)聯(lián)合實驗室框架協(xié)議》，共同籌建量子密碼技術(shù)聯(lián)合實驗室。中航工業(yè)與中國科大共建量子技術(shù)研發(fā)中心，在量子技術(shù)、微電子機械系統(tǒng)技術(shù)、航空大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)和人才培養(yǎng)等方面開展深入的產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新合作。此外，國科控股、科大國盾、阿里巴巴、中興通訊等還發(fā)起組建了“中國量子通信產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，整合優(yōu)勢資源，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.3 產(chǎn)業(yè)鏈條初步形成

目前，我國已經(jīng)初步形成了涵蓋終端和元器件供應(yīng)商、量子設(shè)備與解決方案提供商、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與系統(tǒng)集成商、網(wǎng)絡(luò)運營與業(yè)務(wù)提供商的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈條。上游主要包括芯片、光量子探測儀等器件，代表性企業(yè)包括中天科技和烽火通信等光纖光纜企業(yè)、華工科技和福晶科技等激光器企業(yè)和芯片企業(yè)。中游主要包括量子秘鑰收發(fā)器、量子隨機數(shù)發(fā)生器收發(fā)端等核心設(shè)備以及量子堡壘機、量子交換機、量子路由器、量子集控站、量子網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，代表性企業(yè)包括科大國盾、問天量子、中興通訊和中電科技等眾多網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、核心器件生產(chǎn)企業(yè)，以及阿里巴巴、神州信息等解決方案供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商。下游主要包括各類量子通信應(yīng)用產(chǎn)品和專用網(wǎng)絡(luò)，代表性企業(yè)包括科華恒盛、中經(jīng)云、中信國安、浙江東方、四創(chuàng)電子等運營商，其在電力、金融、政務(wù)領(lǐng)域開展了多種量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

2.4 技術(shù)應(yīng)用廣泛開展

隨著量子通信技術(shù)的不斷成熟，各種類型的實踐應(yīng)用也廣泛展開，其中較為成熟的領(lǐng)域有金融、政務(wù)和公共網(wǎng)絡(luò)。在金融領(lǐng)域，2011年，新華社和中科大合作建成了連接新華社新聞大廈和新華社信息交易所的“金融信息量子保密通信技術(shù)驗證專線”；2012年，北京市建成了金融信息量子通信驗證網(wǎng)；2015年，中國工商銀行北京分行實現(xiàn)了電子檔案信息在同城間的量子加密傳輸；2016年，上海陸家嘴金融量子保密通信應(yīng)用示范網(wǎng)建成。在政務(wù)領(lǐng)域，2009年，安徽蕪湖市建成世界首個量子政務(wù)網(wǎng)；2011年，合肥城域量子通信試驗示范網(wǎng)開通；2017年，濟南黨政機關(guān)量子通信專網(wǎng)正式投入使用；2018年，海南省電子政務(wù)外網(wǎng)量子保密通信示范項目建成。在公共網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，2017年，京滬干線正式開通，全長2000公里；同年，寧蘇干線正式開通；2018年，全球首條量子通信商用干線——滬杭干線全線接通。除此之外，武合干線等一批項目也在建設(shè)中。

3 我國量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的困難

3.1 量子通信標(biāo)準(zhǔn)缺失

量子通信標(biāo)準(zhǔn)的缺失在一定程度上阻礙了我國量子通信產(chǎn)業(yè)化。在量子通信標(biāo)準(zhǔn)全球化競逐中，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)研究院（ETSI）早在2008年就組織歐、美、日、加等發(fā)達(dá)國家的相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)成立了量子密鑰分發(fā)（QKD）標(biāo)準(zhǔn)化組，目前已經(jīng)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標(biāo)準(zhǔn)建議，并計劃推薦成為國際標(biāo)準(zhǔn)。IEEE也在開展“軟件定義的量子通信”標(biāo)準(zhǔn)研究。與歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比，我國量子通信標(biāo)準(zhǔn)化工作嚴(yán)重滯后，一方面表現(xiàn)在至今尚未出臺任何相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化專業(yè)機構(gòu)的長期缺位。2017年6月，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組（ST7）成立，下設(shè)量子通信工作組（WG1）和量子信息處理（WG2）兩個工作組。2017年9月，全國通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC485）量子通信分技術(shù)委員會正式申請籌建。

3.2 量子通信穩(wěn)定性差

量子通信若想真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需要解決量子通信穩(wěn)定性差的問題。一是量子通信在成碼率、抗干擾性能還存在局限性。在現(xiàn)有條件下，基于量子密鑰分配或量子隱形傳態(tài)的通信技術(shù)很難超越經(jīng)典通信系統(tǒng)在通信速率、通信距離、抗干擾等方面的性能。二是理想的量子通信協(xié)議在現(xiàn)實技術(shù)條件下難以實現(xiàn)。就單光子通信而言，單光子源生成、量子態(tài)控制及量子測量等技術(shù)并不成熟。三是光子損耗及量子退相干問題。在對量子通信過程中，如何盡量減小光子損耗，保持量子特性不被破壞，減少量子退相干效應(yīng)是目前技術(shù)難題。

3.3 配套建設(shè)成本較高

配套建設(shè)成本較高也是影響量子通信產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一個重要障礙。第一，與經(jīng)典保密通信將內(nèi)容與密碼使用同一通信網(wǎng)絡(luò)配送不同的是，量子通信必須使用兩個通信網(wǎng)絡(luò)，一個傳送通信內(nèi)容，另一個配送量子密碼，因此量子通信必定會大幅增加通信的成本。第二，當(dāng)通信雙方超過上百公里時，必須使用可信任中繼站或衛(wèi)星中繼，對于普通手機用戶而言，使用衛(wèi)星電話進(jìn)行通信的成本是難以承受的負(fù)擔(dān)。第三，目前量子通信項目的開展主要以高校、科研院所等小范圍為主，市場其他設(shè)備廠商、集成商參與范圍很小，不能形成規(guī)?；瘧?yīng)用，這也大大增加了量子通信的建設(shè)成本。

4 對策建議

4.1 夯實制度化保障

一是加大資金支持。要加大對量子通信技術(shù)研究的投入，加大對量子通信理論、方法及相關(guān)器件的研究，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，解決量子通信設(shè)備的小型化和輕量化問題，使最新量子通信研究成果在實際系統(tǒng)中及時轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

二是完善稅收激勵政策。針對量子通信技術(shù)企業(yè)實施稅收減免或優(yōu)惠政策，鼓勵量子通信企業(yè)積極從事量子通信技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用推廣工作，研究制定鼓勵金融機構(gòu)對量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)投資的稅收支持政策。

三是加快標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。盡快推出一批產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需、具有重要應(yīng)用和推廣價值的標(biāo)準(zhǔn)，支撐量子通信技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，充分發(fā)揮協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)平臺作用，廣泛吸納各方力量參與，搶占標(biāo)準(zhǔn)化工作制高點。

4.2 促進(jìn)規(guī)?；l(fā)展

一是建立量子通信技術(shù)研究和應(yīng)用基地。在北京、安徽建立依托清華大學(xué)、中科院物理所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等研究機構(gòu)建立量子通信技術(shù)研究基地，促進(jìn)量子通信尖端技術(shù)的研發(fā)；在安徽、浙江等地建立量子通信技術(shù)應(yīng)用基地，推動量子通信科技成果的轉(zhuǎn)化。

二是搭建國家級量子通信技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化平臺，依托平臺優(yōu)勢吸引更多上下游企業(yè)、高端通信企業(yè)參與到量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中，實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈的完善和提升。

三是推動量子通信技術(shù)試點示范工程。在量子通信技術(shù)發(fā)展較好的省份，選取金融、政務(wù)等重點領(lǐng)域開展量子通信技術(shù)試點工作，推動量子通信技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，起到帶頭示范作用。

4.3 強化國際間合作

一是推進(jìn)國際合作交流。建立多層次、多渠道、多方式的量子通信國際交流與合作平臺，支持我國企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)在開展聯(lián)合研發(fā)和設(shè)立研發(fā)機構(gòu)，鼓勵我國企業(yè)和研究機構(gòu)參與量子通信國際標(biāo)準(zhǔn)制定。

二是加強優(yōu)秀人才引進(jìn)。完善高層次人才引進(jìn)通道制度，建立多種形式的“人才驛站”，完善企業(yè)信貸、保險等政策，鼓勵企業(yè)引進(jìn)國外優(yōu)秀的人才參與量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)，鼓勵境外企業(yè)和科研機構(gòu)在我國設(shè)立研發(fā)機構(gòu)。

三是建立人才互訪機制。建立人員互訪機制，定期選派優(yōu)秀人才赴國外進(jìn)修和培訓(xùn)，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的技術(shù)和管理經(jīng)驗。

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