加量與加速量子通信的2021發(fā)展啟幕

在過去的2020年，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。量子科技浪潮的演進(jìn)，有望改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力，為未來(lái)信息社會(huì)的演進(jìn)和發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力。對(duì)很多人而言，量子神秘又耳熟能詳。如今，這項(xiàng)前沿技術(shù)正成為“國(guó)之重器”。2020年的10月16日，第十九屆第二十四次中央政治局集體學(xué)習(xí)會(huì)議的議題正是“量子科技研究和應(yīng)用前景”。

一直以來(lái)，中國(guó)都高度重視量子信息科技的發(fā)展，在量子信息科技領(lǐng)域突破了一系列重要科學(xué)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)，產(chǎn)出了一批具有重要國(guó)際影響力的成果。之前，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星和光量子計(jì)算原型機(jī)，尤其是2020年12月4日中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布潘建偉院士等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，讓中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家（谷歌率先宣布量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”在處理“隨機(jī)線路采樣”問題上實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，而九章針對(duì)的是“高斯玻色取樣”問題。兩者針對(duì)的都是特定任務(wù)）?？傮w而言，我國(guó)在量子通信的研究和應(yīng)用方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，在量子計(jì)算方面與發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一水平線，在量子精密測(cè)量方面發(fā)展迅速。而今天聊的話題，則是量子科技將與通信、計(jì)算和傳感測(cè)量等信息學(xué)科相融合，形成全新的量子信息技術(shù)領(lǐng)域，這對(duì)于2021年的通信行業(yè)發(fā)展有著巨大且具體的影響。

量子通信市場(chǎng)新布局

隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)于信息安全的日益重視，“量子通信”越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)在大眾視野中。在我們所了解的奇異的微觀世界，很多事情都無(wú)法用經(jīng)典物理理論解釋。量子作為物理世界的最小能量單位，具有不可分割性。當(dāng)一對(duì)量子發(fā)生糾纏時(shí)，兩者無(wú)論分離多遠(yuǎn)，只要一方運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，另一方同步做出相應(yīng)變化。與此同時(shí)，不同于宏觀世界中，你可以通過物體的速度測(cè)量出其對(duì)應(yīng)位置，量子則具有測(cè)不準(zhǔn)特性。你不可能同時(shí)知道一個(gè)量子的位置和速度數(shù)據(jù)。量子不可分割、不可復(fù)制、測(cè)不準(zhǔn)的特性，構(gòu)成了量子通信的基礎(chǔ)。

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們?cè)谙硎堋皵?shù)字紅利”的同時(shí)，也面臨著數(shù)字風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。由于技術(shù)的快速迭代，疊加主客觀因素作用，導(dǎo)致出現(xiàn)治理手段滯后、技術(shù)能力對(duì)比、價(jià)值導(dǎo)向判斷、不同主體博弈等等情況的“差異化表現(xiàn)”，從而催生新情況、新問題，帶來(lái)新風(fēng)險(xiǎn)、新挑戰(zhàn)。

這其中，一是制度規(guī)范滯后場(chǎng)景迭代，成為治理效能的“堵點(diǎn)”;二是數(shù)據(jù)安全問題迫在眉睫，成為各方關(guān)注的焦點(diǎn);三是內(nèi)容安全風(fēng)險(xiǎn)更加突出，成為著力整治的“難點(diǎn)”;四是基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)外溢，成為全力保護(hù)的“重點(diǎn)”;五是大國(guó)博弈態(tài)勢(shì)不斷加劇，成為國(guó)際治理的痛點(diǎn)。

量子保密通信是首個(gè)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的量子信息技術(shù)分支，也是近代社會(huì)以來(lái)，第一個(gè)由中國(guó)創(chuàng)造的新產(chǎn)業(yè)，這也意味著中國(guó)量子通信的發(fā)展除了能讓我們享受技術(shù)和科技本身給生產(chǎn)力帶來(lái)的提升以外，我們還將成為全球相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則的制定者。

在2021年之后，中國(guó)的量子通信將實(shí)現(xiàn)三大擴(kuò)展：一是區(qū)域的擴(kuò)展，從京津冀、長(zhǎng)三角、海南等區(qū)域城際量子網(wǎng)擴(kuò)展到全國(guó)、全球;二是產(chǎn)品的擴(kuò)展，未來(lái)將出現(xiàn)光電集成度更高、功能更豐富的加密芯片和設(shè)備;三是應(yīng)用的擴(kuò)展，隨著量子通信帶寬的增加以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋的加深，基于圖片、視頻、VR等傳輸形式的應(yīng)用將出現(xiàn)。在國(guó)際上率先掌握能夠形成先發(fā)優(yōu)勢(shì)、引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展的顛覆性技術(shù)，率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技術(shù)體系，推動(dòng)我國(guó)的信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力實(shí)現(xiàn)跨越式提升，是中國(guó)量子科技領(lǐng)域的重要使命。

在量子通信方面，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為中國(guó)量子通信將采取三步走策略，通過光纖實(shí)現(xiàn)量子通信城域網(wǎng)，通過量子中繼器實(shí)現(xiàn)城際網(wǎng)，再通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)。

同樣，周雷表示，量子通信技術(shù)發(fā)展需要在光學(xué)、微電子學(xué)、軟件和集成技術(shù)、材料等各方面技術(shù)都同步發(fā)展，超導(dǎo)材料同樣重要。

安全，始終是量子通信的重頭戲

如前文所述，無(wú)疑量子科技已成為群雄逐鹿的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革前沿陣地。業(yè)內(nèi)人士分析，隨著各方勢(shì)力入局，量子領(lǐng)域有望加速產(chǎn)業(yè)化。過去的2020年是量子科學(xué)發(fā)展至關(guān)重要的一年，其發(fā)展不僅首次進(jìn)入到我國(guó)最高決策層集體關(guān)注的視野中，還在多個(gè)方面產(chǎn)生了技術(shù)突破。

量子通信本質(zhì)上是量子密鑰的傳輸，利用量子糾纏可以將量子信息傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地點(diǎn)，而不是傳送信息載體本身，一旦密鑰被竊聽，便會(huì)馬上被發(fā)現(xiàn)，屬于被嚴(yán)格證明的“無(wú)條件安全通信方式”。

已有的通信加密方式主要依賴計(jì)算復(fù)雜性，但無(wú)法避免被竊聽。這也是為什么發(fā)生銀行卡被盜刷、賬號(hào)被盜用等情況時(shí)，通常事后才能發(fā)現(xiàn)問題。量子加密通信能有效避免上述情況。任何竊聽、復(fù)制、測(cè)量行為，都會(huì)改變量子狀態(tài)，被通信雙方所獲知，從而可以切換傳輸路徑，防患于未然。

所以，國(guó)內(nèi)量子通信產(chǎn)業(yè)化主要以量子保密通信為主。自2014年京滬干線開啟建設(shè)以來(lái)，中國(guó)量子保密通信建設(shè)開始提速，骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、星地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不斷完善，為量子通信向政務(wù)、金融、電力、交通等行業(yè)滲透打下基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的量子保密通信干線包括了“京滬干線”“武合干線”“滬杭干線”。城域量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，目前國(guó)家廣域量子骨干網(wǎng)、山東“齊魯干線”、廣東粵港澳量子通信骨干網(wǎng)、江淮量子網(wǎng)、國(guó)防領(lǐng)域量子通信項(xiàng)目、量子通信衛(wèi)星等多個(gè)重大工程處于在建狀態(tài)。

要知道，量子通信以絕對(duì)安全和高效率性兩大優(yōu)勢(shì)，成為各國(guó)重點(diǎn)搶占的戰(zhàn)略技術(shù)高地。不過，產(chǎn)業(yè)化才是量子通信應(yīng)用的試金石。據(jù)之前的《2020量子安全技術(shù)白皮書》顯示，國(guó)內(nèi)量子保密通信產(chǎn)業(yè)鏈的上下游生態(tài)逐漸健全，上游關(guān)鍵器件已基本實(shí)現(xiàn)自主可控。其中，光學(xué)調(diào)制器件的研發(fā)生產(chǎn)、芯片化集成基本上處于國(guó)際先進(jìn)水平，單光子探測(cè)器件的核心近紅外單光子雪崩二極管等，也實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。

比如，2020年7月，“江寧區(qū)政務(wù)網(wǎng)量子通信專網(wǎng)項(xiàng)目”通過專家驗(yàn)收。2020年10月國(guó)網(wǎng)杭州供電公司通過應(yīng)用量子通信技術(shù)為杭州亞運(yùn)會(huì)供電保障提供重要支撐。引入量子信息技術(shù)，可對(duì)各級(jí)指揮中心和重要場(chǎng)館之間的傳輸通道進(jìn)行加密，可實(shí)現(xiàn)指揮體系中音視頻通話、保電系統(tǒng)信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全。至于已然走在量子通訊前沿的中國(guó)電信，則在2020年攜手量子保密通信龍頭企業(yè)國(guó)盾量子成立中電信量子科技有限公司。目前，雙方正在研發(fā)一個(gè)支持量子安全通話的手機(jī)項(xiàng)目，據(jù)中國(guó)電信方面消息，預(yù)計(jì)在2021年上半年，面向民用市場(chǎng)帶有量子通話功能的國(guó)產(chǎn)手機(jī)將會(huì)推出。

同時(shí)，我國(guó)計(jì)劃2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。

量子互聯(lián)網(wǎng)的魅力

“量子互聯(lián)網(wǎng)”正成為各國(guó)發(fā)展的目標(biāo)。今年5月，歐盟表示，將推動(dòng)量子通信與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用相結(jié)合，開發(fā)可用于全球安全密鑰分發(fā)、基于衛(wèi)星的量子密碼，為未來(lái)“量子互聯(lián)網(wǎng)”遠(yuǎn)景奠定基礎(chǔ)。美國(guó)國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室在2020年2月就發(fā)布了《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想》，明確構(gòu)建世界首個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)，并提出未來(lái)5 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道和探索跨洲際距離的天基糾纏分發(fā)，未來(lái)20年內(nèi)，推動(dòng)量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新功能。這場(chǎng)前沿技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的勝者將抓住行業(yè)的話語(yǔ)權(quán)和廣闊的市場(chǎng)。根據(jù)BCG預(yù)測(cè)，到2030年，量子計(jì)算的應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模有望超過500億美元。

目前保護(hù)在線數(shù)據(jù)的方法是使用數(shù)學(xué)問題進(jìn)行加密，如果你有一把解鎖的數(shù)字“鑰匙”，就可以很容易解開數(shù)學(xué)問題，從而破解密碼;如果沒有這把“鑰匙”的話，密碼就很難破解。然而，很難并不意味著不可能，只要有足夠的時(shí)間和計(jì)算能力，今天的加密方法都是可以破解。相比之下，量子通信使用光的單個(gè)粒子（光子）來(lái)創(chuàng)建密鑰，而根據(jù)量子物理學(xué)原理，你不可能制造出精確的密鑰副本。復(fù)制這些密鑰的任何嘗試都將不可避免地導(dǎo)致可被檢測(cè)的錯(cuò)誤。這意味著，無(wú)論黑客多么聰明、多么強(qiáng)大，也無(wú)論他們擁有什么樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)，都無(wú)法復(fù)制量子密鑰或讀取加密的信息。

這一概念已經(jīng)在衛(wèi)星和光纖電纜上得到驗(yàn)證，并被用于在不同國(guó)家之間發(fā)送安全信息。那么，為什么我們還沒有在日常生活中使用它呢？答案是，實(shí)現(xiàn)這一概念需要昂貴的專門技術(shù)，意味著目前還無(wú)法擴(kuò)展。那么，距離通用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)入千家萬(wàn)戶還要等多久，這個(gè)問題需要相關(guān)技術(shù)同步發(fā)展，其中超導(dǎo)材料是重要部分。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)展突飛猛進(jìn)，正是得益于晶體管到硅片的躍遷。盡管國(guó)內(nèi)量子通信處于領(lǐng)先地位，接下來(lái)需要解決的還有著商業(yè)化的掣肘。

據(jù)了解，目前量子通信帶寬有限。目前量子通信的密鑰分發(fā)的速率可以達(dá)到幾kbps到幾百kbps，以國(guó)盾量子為例，QKD（量子密鑰分發(fā)）設(shè)備在某些距離成碼率為80Kbps，可以滿足在傳輸某些文件和語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)使用“一次一密”。而一套QKD加密設(shè)備約30萬(wàn)元，一套量子城域網(wǎng)需要成百上千套QKD，意味著更高的投入成本。

實(shí)際上，作為量子通信最主要應(yīng)用的量子密鑰分發(fā)（QKD），對(duì)于全球當(dāng)下和未來(lái)的通信系統(tǒng)至關(guān)重要，應(yīng)用QKD的量子保密通信技術(shù)，已成為增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)空間安全的戰(zhàn)略前沿技術(shù)。據(jù)相關(guān)報(bào)告顯示，僅中國(guó)量子通信市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在2025年將達(dá)近千億元人民幣，這個(gè)市場(chǎng)的確巨大。

我們知道，QKD是一種理論上可以提供無(wú)條件安全密鑰分發(fā)的技術(shù)，也是目前最安全的密鑰傳輸方式，量子的不可分割、不可克隆定理、海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理是QKD技術(shù)的理論安全物理基礎(chǔ)，借助QKD技術(shù)，通信雙方可以在量子信道上生成只有他們雙方知道的共享隨機(jī)密鑰，并通過該密鑰加密和解鎖消息，一旦有人竊聽密鑰，接受者一端誤碼率會(huì)發(fā)生變化，竊聽行為就會(huì)被發(fā)現(xiàn)，通信雙方將會(huì)重新生成新密鑰，保障通信安全。QKD技術(shù)發(fā)展至今已有30多年，從2003年起各國(guó)逐步開展了QKD試點(diǎn)應(yīng)用和試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)，目前已進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，這背后離不開政府、高校、研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)的共同努力。

結(jié)語(yǔ)

顯然，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的量子科技領(lǐng)域，我國(guó)科學(xué)家不斷取得新的突破，量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問世，樹起了一座舉世矚目的里程碑，量子通信方面的研究更是走在了世界前列;天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)正在構(gòu)建形成，有望引領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)的革命，出現(xiàn)量子物聯(lián)網(wǎng)、量子云計(jì)算等先進(jìn)形態(tài)。

而量子保密通信被認(rèn)為是下一代信息通信領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)性、支撐性技術(shù)，量子密鑰分發(fā)技術(shù)是當(dāng)前量子保密通信的基礎(chǔ)，正不斷獲得市場(chǎng)的關(guān)注和認(rèn)可?？傊孔邮菚r(shí)代的必然，量子理論和技術(shù)正迅速發(fā)展，量子將毫無(wú)疑問地改變世界，這一切從2021年開始會(huì)有更明確的表現(xiàn)。