量子通信的歷史與潛力

人類真的可以實現(xiàn)安全的信息傳送嗎？這到底是夢想，還是現(xiàn)實？

9月10日的北京雁棲湖，雖然天空淅淅瀝瀝地下著雨，但仍有不少學(xué)者和學(xué)生趕來參加中國科學(xué)院與德國國立科學(xué)院（Leopoldina）聯(lián)合舉辦的第一屆雙邊研討會。會上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉作了題為“夢想還是現(xiàn)實？量子通信的過去、現(xiàn)在與未來”的報告。

對信息的安全傳輸是數(shù)千年來人類一直追求的夢想。理論上，所有依賴于計算復(fù)雜度的經(jīng)典加密方法原理上都可以被破解，因此在歷史發(fā)展中，經(jīng)典密碼學(xué)的每一次進步都被破解技術(shù)的進步所擊敗。那么人類能否發(fā)明一種密碼工具來確保信息傳輸?shù)陌踩?？具體而言，該如何在相距遙遠(yuǎn)的兩地實現(xiàn)安全的密鑰分配呢？

1968年，以色列科學(xué)家斯蒂芬?威斯納提出可以用量子系統(tǒng)來完成經(jīng)典方法所不能夠處理的信息處理任務(wù)，這啟發(fā)了人們發(fā)明量子通信和量子密碼學(xué)。1984年，美國IBM公司的查爾斯?貝內(nèi)特和加拿大蒙特利爾大學(xué)的吉列?巴薩德共同提出了第一個也是最為著名的量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84協(xié)議。量子密鑰分發(fā)利用單光子的不可分割性、未知量子態(tài)的不可復(fù)制性等微觀粒子特有的性質(zhì)，從原理上保證了密鑰的不可竊聽，從而確保了信息傳送的安全。

潘建偉在報告中指出，在人類實現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通信的征途上有兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實條件下的安全性問題和遠(yuǎn)距離傳輸問題。

量子密鑰分發(fā)因其具有理論上的無條件安全性而備受關(guān)注，但是在實際系統(tǒng)中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)會由于設(shè)備的非完美性而存在安全性漏洞。由于量子密鑰分發(fā)過程中，線路的安全性是可以嚴(yán)格保障的，因此可能的安全性漏洞就集中在發(fā)射端和接收端。誘騙態(tài)方案和“測量器件無關(guān)”方案分別解決了上述兩端的安全性漏洞。這兩個方案均率先被潘建偉團隊實現(xiàn)。

潘建偉介紹道，結(jié)合“測量器件無關(guān)”方案與自主可控的光源，量子密鑰分發(fā)就可以達(dá)到“信息論可證”的安全性。因此，目前現(xiàn)實條件下量子密鑰分發(fā)的安全性已經(jīng)很好地建立起來了。

迄今為止，在地面實驗中，量子密鑰分發(fā)的點對點距離可達(dá)到500千米量級，而量子隱形傳態(tài)可達(dá)到100千米。那么，如何在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加量子通信的距離呢？

一個階段性的解決方案是可信中繼傳輸，我國建設(shè)的光纖總長超過2000千米的“京滬干線”便采用了這一方案。在可信中繼方案中，需要人為保障中繼站點的安全，而中繼之間的線路則是安全的。這比傳統(tǒng)通信手段中整條線路處處都面臨著信息泄露的風(fēng)險而言，大幅提高了安全性。

更為長遠(yuǎn)的方案是使用量子中繼器。量子中繼包括量子糾纏純化、量子糾纏交換和量子存儲等手段，可以在遙遠(yuǎn)地點間分發(fā)量子糾纏，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。潘建偉團隊在量子中繼的核心環(huán)節(jié)取得了一系列重要成果，目前已可支持通過量子中繼實現(xiàn)500千米的量子通信。但是量子中繼器的實際應(yīng)用可能還需要等待10年之久。

目前更為有效的方法是基于衛(wèi)星的量子通信技術(shù)。這種手段不受地球表面障礙物的影響，在外太空也幾乎沒有衰減。我國于2016年研制成功并發(fā)射國際上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，在國際上率先實現(xiàn)星地量子通信實驗，充分驗證了這一技術(shù)的可行性。

報告中，潘建偉展望量子通信的未來，描繪了一幅令人遐想的圖景：通過量子衛(wèi)星與地面光纖網(wǎng)絡(luò)，并與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)相融合，未來將可形成覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，全面提升信息安全水平。而利用廣域的量子通信網(wǎng)絡(luò)，人類可以發(fā)展出空間分辨率極高的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)；也可以構(gòu)建高精度的光頻率傳遞網(wǎng)絡(luò)，精度相比現(xiàn)在的微波時頻網(wǎng)絡(luò)可以提高4個數(shù)量級。而“墨子號”量子衛(wèi)星發(fā)展的空間量子科學(xué)實驗技術(shù)，也為物理學(xué)基本原理研究提供了全新的平臺。例如，最近潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛(wèi)星對Event Formalism量子引力模型進行了檢驗，首次對量子力學(xué)和引力的融合進行了實驗探索。利用高軌空間極低的引力和磁場噪聲，未來還有望實現(xiàn)精度高達(dá)10-21的光鐘，將會促進對引力波信號，特別是低頻信號的探測，可以揭示更為豐富的天文現(xiàn)象。

國盾量子瞄準(zhǔn)量子通信領(lǐng)域

國盾量子日前回復(fù)了申請科創(chuàng)板上市的第四輪問詢，涉及重大合同收入、半年報業(yè)績、債務(wù)重組等問題。國盾量子是量子通信產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)，公司擬發(fā)行不超過2000萬股，募集資金3.04億元用于量子通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備項目和研發(fā)中心建設(shè)項目。招股說明書顯示，國盾量子股權(quán)分散，股權(quán)穿透后的股東涉及多家上市公司。

量子通信領(lǐng)域龍頭

國盾量子成立于2009年，起源于以潘建偉、彭承志為核心的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的量子信息研究團隊。公司主要從事量子通信產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及技術(shù)服務(wù)，為各類光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)以及星地一體廣域量子保密通信地面站的建設(shè)提供軟硬件產(chǎn)品，為政務(wù)、金融、電力、國防等領(lǐng)域提供組網(wǎng)及量子安全應(yīng)用解決方案。

國盾量子的產(chǎn)品分為四大類：量子保密通信網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備、量子安全應(yīng)用產(chǎn)品、核心組件以及管理與控制軟件，主要用于構(gòu)建量子保密通信骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)以及行業(yè)信息安全應(yīng)用，下游客戶涉及政務(wù)、金融、電力、國防等領(lǐng)域。

招股說明書顯示，公司主要產(chǎn)品部署在量子保密通信骨干網(wǎng)、量子保密通信城域網(wǎng)和行業(yè)量子保密通信接入網(wǎng)，滿足內(nèi)容豐富的信息安全需求。公司量子通信核心組件的自主可控方面具有優(yōu)勢，不斷發(fā)展量子通信系統(tǒng)相關(guān)的芯片等技術(shù)，支持下游的應(yīng)用接入及二次開發(fā)，可為大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及5G等領(lǐng)域進行賦能，促進產(chǎn)業(yè)生態(tài)繁榮。公司擬發(fā)行不超過2000萬股，占本次發(fā)行后總股本的比例不低于25%。擬使用募集資金約3.04億元用于量子通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備項目和研發(fā)中心建設(shè)項目。其中，量子通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備項目擬使用2.57億元，研發(fā)中心建設(shè)項目擬使用4689.06萬元。

2016年至2018年，國盾量子營業(yè)收入分別為2.27億元、2.84億元和2.65億元。其中，量子保密通信產(chǎn)品占營業(yè)收入的比例分別為95.47%、97.75%和95.81%。

華鑫證券研報顯示，公司在國內(nèi)量子通信領(lǐng)域處于龍頭地位。量子保密通信網(wǎng)絡(luò)可依托現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)進行建設(shè)，建設(shè)規(guī)?？蓞⒄宅F(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。公司為國家量子保密通信“京滬干線”、“武合干線”等骨干網(wǎng)工程的核心設(shè)備供應(yīng)和項目實施提供了保障。我國目前已建成的實用化光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)總長(光纜皮長)達(dá)7000余公里。其中，超過6000公里使用了國盾量子提供的產(chǎn)品，且處于在線運行狀態(tài)。

公司重視研發(fā)創(chuàng)新工作，不斷增強技術(shù)儲備，保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。2016年至2018年，公司研發(fā)投入總額分別為5318.03萬元、7344.36萬元和9620.95萬元，研發(fā)投入占營業(yè)收入比例分別為23.41%、25.89%和36.35%。最近三年累計研發(fā)投入占最近三年累計營業(yè)收入的比例為28.73%。公司表示，將圍繞國家信息安全發(fā)展戰(zhàn)略，以“技術(shù)推動市場、產(chǎn)品引領(lǐng)需求、服務(wù)創(chuàng)造價值”為經(jīng)營理念，專注于量子信息領(lǐng)域，堅持走“技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新”的發(fā)展道路，以“打造國際一流的量子技術(shù)企業(yè)”為發(fā)展目標(biāo)。

推進信息安全建設(shè)

招股說明書顯示，國盾量子穿透后的股東包括聯(lián)想旗下君聯(lián)資本、中國國新旗下的國新資本以及上市公司神州信息、浙江東方、銀輪股份等。

部分參股的上市公司與國盾量子業(yè)務(wù)合作密切。2018年，神州信息與國盾量子、國翔辰瑞成立了神州國信(北京)量子科技有限公司，為國家量子保密通信骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、行業(yè)專網(wǎng)提供量子保密通信產(chǎn)品；同時，面向金融、政府等行業(yè)客戶提供定制化的解決方案。截至目前，神州信息與國盾量子攜手已幫助近20家金融機構(gòu)實現(xiàn)量子技術(shù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的結(jié)合，如上海銀行、上海農(nóng)商行、中國銀行、工商銀行、光大銀行等，積極推進信息安全建設(shè)。

公司客戶群體穩(wěn)定，產(chǎn)品應(yīng)用場景較多。從客戶構(gòu)成看，神州數(shù)碼系統(tǒng)集成服務(wù)有限公司是公司第一大客戶。公司作為量子保密通信設(shè)備及相關(guān)技術(shù)服務(wù)供應(yīng)商，2016年-2018年對其銷售量子保密通信設(shè)備及相關(guān)技術(shù)服務(wù)的收入占營業(yè)收入的比例分別為34.21%、21.14%和57.9%。

華鑫證券研報顯示，目前從事量子保密通信的主要企業(yè)有：瑞士IDQuantique、安徽問天量子、浙江九州量子，暫時沒有主營業(yè)務(wù)為量子通信產(chǎn)品的上市公司。量子保密通信行業(yè)處于推廣期，屬于技術(shù)和資金密集型行業(yè)，門檻高。作為行業(yè)龍頭，預(yù)計國盾量子上市后市場將給予較高估值。

行業(yè)前景廣闊

中信建投證券指出，量子通信應(yīng)用場景廣闊，保密通信是現(xiàn)階段可行業(yè)務(wù)。量子通信近期應(yīng)用主要集中在利用QKD鏈路加密的數(shù)據(jù)中心防護、量子隨機數(shù)發(fā)生器，并延伸到政務(wù)、國防等特殊領(lǐng)域的安全應(yīng)用。隨著QKD組網(wǎng)技術(shù)成熟，終端設(shè)備趨于小型化、移動化，QKD還將擴展到電信網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、個人與家庭、云存儲等更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。長遠(yuǎn)看，隨著量子衛(wèi)星、量子中繼、量子計算、量子傳感等技術(shù)取得突破，通過量子通信網(wǎng)絡(luò)將分布式的量子計算機和量子傳感器連接，將產(chǎn)生量子云計算、量子傳感網(wǎng)等一系列全新的應(yīng)用。

業(yè)內(nèi)人士稱，信息安全重要性與日俱增，量子通信技術(shù)發(fā)展前景廣闊。未來幾年，大數(shù)據(jù)、5G通信、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)、新應(yīng)用和新模式快速融合將觸發(fā)新的安全威脅，以密碼為核心的信息加密等防護手段需求進一步加強；同時，基于計算復(fù)雜度的傳統(tǒng)密碼方案面臨的挑戰(zhàn)力度增大，量子計算的不斷突破對目前廣泛用于密鑰協(xié)商、簽名認(rèn)證的公鑰密碼形成了挑戰(zhàn)，行業(yè)需要新的技術(shù)手段來完善未來的安全保障，量子通信是解決這些問題的重要手段之一。隨著重視程度和投入的加大，量子通信的發(fā)展具有廣闊的前景。

招股說明書顯示，公司主要為下一代信息網(wǎng)絡(luò)提供新型信息安全產(chǎn)品和服務(wù)，屬于科創(chuàng)板優(yōu)先推薦的領(lǐng)域。信息安全行業(yè)處于快速發(fā)展期，總體上呈現(xiàn)業(yè)務(wù)不斷拓展、攻防技術(shù)演進升級的態(tài)勢。