我國(guó)量子通信技術(shù)現(xiàn)狀

2016 年 12 月 19 日，國(guó)務(wù)院印發(fā)“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)建設(shè)和發(fā)展， 量子通信作為重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)方向，受到重點(diǎn)關(guān)注。

量子通信

量子信息是量子力學(xué)和信息科學(xué)兩個(gè)學(xué)科的融合，其應(yīng)用可分為量子計(jì)算和量子通信（Quantum Communication）。

量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信過(guò)程。而按照傳輸?shù)谋忍仡愋汀?yīng)用原理等，量子通信類型主要可以分為：量子密鑰分配（QKD， Quantum Key Distribution）和量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation），二者具有較大的不同。

量子通信學(xué)科分類

量子密鑰分配是使用量子態(tài)不可克隆的特性來(lái)產(chǎn)生二進(jìn)制密碼，為經(jīng)典比特建立牢不可破的量子保密通信。目前量子保密通信已經(jīng)步入產(chǎn)業(yè)化階段，開始保護(hù)我們的信息安全。

量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏來(lái)直接傳輸量子比特，目前還處于基礎(chǔ)研究階段，未來(lái)將應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)之間的直接通信。

由于量子密鑰分配已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此我們通常說(shuō)的量子通信狹義上指的就是量子密鑰分配或者量子保密通信。量子保密通信是目前唯一接近成熟應(yīng)用的量子通信，也是中國(guó)科學(xué)家在全球技術(shù)領(lǐng)先的項(xiàng)目之一。簡(jiǎn)單來(lái)類比，量子通信可視作單模光纖兩端加上能代替常用光模塊功能的、光量子態(tài)的發(fā)送和接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于物理加密的保密通信。

經(jīng)典有線通信主要通過(guò)電纜和光纜進(jìn)行傳輸，兩種方法在安全性上都存在竊聽手段簡(jiǎn)單，竊聽者無(wú)法被覺察等問(wèn)題。在電纜通信中，竊聽者可以將萬(wàn)用表或者示波器接在傳輸電纜上實(shí)現(xiàn)竊聽。而通過(guò)光纖彎曲，使得部分光信號(hào)外泄并被相應(yīng)的探測(cè)器探測(cè)到，從而實(shí)現(xiàn)光纜線路的竊聽。

量子通信實(shí)現(xiàn)無(wú)條件的安全性

基于量子不可克隆定理和量子不可分割實(shí)現(xiàn)存在竊聽必然被發(fā)現(xiàn)。

量子通信的關(guān)鍵要素是“量子密鑰”，它用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼，一旦被截獲或者被測(cè)量，其自身狀態(tài)就會(huì)立刻發(fā)生改變。截獲量子密鑰的人只能得到無(wú)效信息，而信息的合法接收者則可以從量子態(tài)的改變中得知量子密鑰曾被截取過(guò)。

基于一次一密，完全隨機(jī)實(shí)現(xiàn)加密內(nèi)容不可破譯。

用光量子通信網(wǎng)，雖然跟平常通信一樣，卻不用擔(dān)心被竊聽，相互之間通信絕對(duì)安全。這是因?yàn)椋孔油ㄐ挪捎玫氖恰耙淮我幻堋钡募用芊绞?，兩人通話期間，密碼機(jī)每分每秒都在產(chǎn)生密碼，牢牢“鎖”住語(yǔ)音信息；一旦通話結(jié)束，這串密碼就會(huì)立即失效，下一次通話絕對(duì)不會(huì)重復(fù)使用，而且量子通信所提供的密鑰無(wú)法被破解。

量子通信絕對(duì)安全原理

量子通信相比經(jīng)典通信的優(yōu)點(diǎn)

時(shí)效性高、傳輸速度快。

量子通信的線路時(shí)延近乎為零，量子信道的信息效率相對(duì)于經(jīng)典信道量子的信息效率高幾十倍，并且量子信息傳遞的過(guò)程沒有障礙，傳輸速度快；

抗干擾性能強(qiáng)。

量子通信中的信息傳輸與通信雙方之間的傳播媒介無(wú)關(guān)，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能，同等條件下，獲得可靠通信所需的信噪比比傳統(tǒng)通信手段低 30～40dB；

傳輸能力強(qiáng)。

量子通信與傳播媒介無(wú)關(guān)，傳輸不會(huì)被任何障礙阻隔，量子通信的其中一種方式——隱形傳態(tài)，還能穿越大氣層，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質(zhì)中通信。

量子通信的發(fā)展概況

1、量子理論的建立

1905年，Einstein引入光量子概念，成功解釋了光電效應(yīng)，并因此獲得1921年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1913年，Bohr在盧瑟福原子模型基礎(chǔ)上建立了原子的量子理論。1923年，發(fā)過(guò)物理學(xué)家de Broglie提出物質(zhì)波的概念。1925年，德國(guó)物理學(xué)家Heisenberg建立了量子理論的第一種數(shù)學(xué)描述——矩陣力學(xué)。1926年，薛定諤建立了描述量子波形特性的偏微分方程式，即著名的薛定諤方程，給出了量子理論的第二種描述——波動(dòng)力學(xué)。1927年，在意大利矩形的國(guó)際物理學(xué)討論會(huì)上，Bohr作了關(guān)于量子力學(xué)的報(bào)告，被看作是量子力學(xué)的正式建立儀式。

2、量子通信的提出

1984年，來(lái)自IBM研究組的Bennett與加拿大蒙特立爾大學(xué)的Brassard一起提出了第一個(gè)實(shí)用性的量子密碼通信協(xié)議—BB84協(xié)議。該協(xié)議實(shí)際上是一個(gè)通過(guò)量子信道產(chǎn)生和傳送密鑰的方案。量子信道的載體是單個(gè)光子，可以用其偏振狀態(tài)（極化方向）、相位或者頻率等物理量來(lái)攜帶量子密鑰信息。由于量子信道的非理想化，還需要采用經(jīng)典信道來(lái)配合進(jìn)行量子態(tài)測(cè)量方法的協(xié)商和碼序列的驗(yàn)證。假定竊聽者在不被察覺的情況下無(wú)法竊聽量子信道的信息，然而能夠在不篡改數(shù)據(jù)的前提下竊聽經(jīng)典信道的信息，此時(shí)可以證明密鑰傳輸?shù)陌踩浴＠昧孔用荑€對(duì)通信信息進(jìn)行逐比特加密后在經(jīng)典信道上傳輸，理論證明可以達(dá)成無(wú)條件安全通信（也稱之為絕對(duì)安全通信）。1991年，牛津大學(xué)的Ekert提出了E91協(xié)議。第二年，Bennett提出用兩個(gè)非正交態(tài)實(shí)現(xiàn)量子密碼通信——B92協(xié)議。

3、發(fā)展歷程

從 1993 年到 2005 年這個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展迅猛。1995 年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所吳令安小組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國(guó)最早的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。2000年，該小組又與中國(guó)科學(xué)院研究生院合作利用單模光纖完成了 1.1 公里的量子密鑰分發(fā)演示實(shí)驗(yàn)。

2002 年至 2003 年間，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué) Gisin 小組和我國(guó)華東師范大學(xué)曾和平小組分別在 67 公里和 50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。

2005 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦小組在北京和天津之間也實(shí)現(xiàn)了 125 公里光纖的量子密鑰分發(fā)演示性實(shí)驗(yàn)。

2006 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超 100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，美國(guó) Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室－美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組和奧地利的 Zeilinger 教授領(lǐng)導(dǎo)的歐洲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室也使用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過(guò) 100公里量子密鑰分發(fā)。量子誘騙態(tài)打開了量子通信技術(shù)應(yīng)用的大門，開始從實(shí)驗(yàn)室演示走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。

2004 年，美國(guó)雷神公司組和波士頓大學(xué)在 DARPA 支持下建了世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)；2008 年，歐盟“基于量子密碼的全球保密通信網(wǎng)絡(luò)”(SECOQC)研發(fā)項(xiàng)目組建的 7 節(jié)點(diǎn)量子保密通信演示驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成功;2009 年，由日本國(guó)家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)( NICT)主導(dǎo)，聯(lián)合日本 NTT、 NEC 和三菱電機(jī)，并邀請(qǐng)到東芝歐洲有限公司、瑞士 ID Quantique 公司和奧地利 AllVienna 共同協(xié)作在東京建成了六節(jié)點(diǎn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)“Tokyo QKD Network”；2010年起，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室秘密構(gòu)建了城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，直到 2013 年才公布。

量子通信技術(shù)已經(jīng)獲得了空前的發(fā)展，特別是 QKD(量子密鑰分配)技術(shù)，已經(jīng)可以進(jìn)行上百公里的傳輸實(shí)驗(yàn)，并且大規(guī)模的 QKD 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)初步建成；量子離物傳態(tài)技術(shù)也已經(jīng)獲得了傳輸 16 km 的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。近年來(lái)的量子通信突破性進(jìn)展層出不窮，尤其是隨著關(guān)鍵量子器件技術(shù)的成熟，部分成果已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平，完全脫離了純理論階段，基本進(jìn)入了應(yīng)用階段。

我國(guó)量子通信技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)在量子通信領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)兩百公里的安全信息傳輸，實(shí)用化安全傳輸距離已達(dá)到幾十公里，量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已發(fā)展成熟。從目前的實(shí)際情況來(lái)看，將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合是其最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略。我國(guó)量子通信技術(shù)經(jīng)過(guò)多年研究，已經(jīng)處在產(chǎn)業(yè)化階段。

2016 年 8 月，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——墨子號(hào)發(fā)射成功，我國(guó)成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國(guó)家。

2017 年 3 月，全球首條量子通信商用干線——滬杭干線正式全線接通， 該干線將實(shí)現(xiàn)杭州和上海兩地間的量子安全級(jí)別語(yǔ)音電話、視頻電話、文件傳輸業(yè)務(wù)。滬杭量子通信商用干線總長(zhǎng) 260公里，總投資 1.7 億元，滬杭量子通信商用干線作為全球第一條量子通信商用干線，標(biāo)志著量子通信產(chǎn)業(yè)化時(shí)代的到來(lái)，拉開了量子通信產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的序幕。

2017 年 9 月，世界首條量子保密通信干線——京滬干線正式開通。建成后的量子通信京滬干線，實(shí)現(xiàn)了連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng) 2000多公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，將推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

專網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用方面， 量子通信已實(shí)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)銀行業(yè)的首次成功應(yīng)用：安徽量子通信有限公司的量子通信系列產(chǎn)品于 2015 年 2 月在中國(guó)工商銀行通過(guò)用戶驗(yàn)證并投入使用，成功實(shí)現(xiàn)了該行北京分行電子檔案信息在同城間的量子加密傳輸。

2017 年 9 月，我國(guó)第一個(gè)商用量子保密通信專網(wǎng)“濟(jì)南黨政機(jī)關(guān)量子通信專網(wǎng)”于在濟(jì)南完成全網(wǎng)驗(yàn)收并正式投入使用，未來(lái)將向全省和全國(guó)推廣。

量子通信列入國(guó)家十三五規(guī)劃重點(diǎn)，上至國(guó)家頂層設(shè)計(jì)、國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人講話，下至各部委工作部署，量子通信都是國(guó)家未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的方向。在最新的文件中即“發(fā)改委關(guān)于組織實(shí)施 2018 年新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程的通知”，提出要建設(shè)國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一期工程，并對(duì)建設(shè)內(nèi)容，指標(biāo)要求，負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)，投資要求做出了明確規(guī)定，相信量子通信新一期建設(shè)將很快落地。

基于量子密碼技術(shù)的保密通信不僅可用于軍事、國(guó)防安全，還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)、票據(jù)，以及政府、電信、證券、保險(xiǎn)、銀行、工商、地稅、財(cái)政等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域和部門。21 世紀(jì)信息科學(xué)從“經(jīng)典”時(shí)代跨越到“量子”時(shí)代，將成為各國(guó)未來(lái)高技術(shù)的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一。

量子通信在信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用

由于量子通信絕對(duì)安全的特性，量子通信在軍事通信、政府保密通信、民用通信上都將帶來(lái)顛覆性的變革，未來(lái)市場(chǎng)容量極大。

在國(guó)防和軍事領(lǐng)域

量子通信能夠應(yīng)用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，向未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)任意兩個(gè)用戶分發(fā)量子密鑰，構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)動(dòng)的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)；能夠應(yīng)用于信息對(duì)抗，改進(jìn)軍用光網(wǎng)信息傳輸保密性，提高信息保護(hù)和信息對(duì)抗能力；能夠應(yīng)用于深海安全通信，為遠(yuǎn)洋深海安全通信開辟了嶄新途徑；利用量子隱形傳態(tài)以及量子通信絕對(duì)安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠(yuǎn)距離傳輸和信息高效率等特點(diǎn)，建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網(wǎng)絡(luò)，為國(guó)防和軍事贏得先機(jī)。

量子通信保密熱線已經(jīng)成為安保信息傳輸?shù)闹匾肪€，在國(guó)家最重大的場(chǎng)合經(jīng)歷了實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，并獲得國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度認(rèn)可。十八大上，量子通信網(wǎng)絡(luò)更是為中央會(huì)議提供了安全警衛(wèi)信息通信的保障。

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和部門

量子通信可用于金融機(jī)構(gòu)的隱匿通信等工程以及對(duì)電網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)和自來(lái)水管網(wǎng)等重要基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)視和通信保障，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

量子通信技術(shù)引領(lǐng)金融安全，未來(lái)在銀監(jiān)會(huì)與各相關(guān)銀監(jiān)局、各相關(guān)銀行之間可建立一套切實(shí)可用的信息報(bào)送和管理系統(tǒng)，并且可進(jìn)一步拓展到銀行、證券、基金、期貨等行業(yè)多種業(yè)務(wù)應(yīng)用。

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開創(chuàng)“量子+”時(shí)代

2015 年 10月，阿里云與中科院旗下國(guó)盾量子聯(lián)合發(fā)布量子加密通信產(chǎn)品。目前雙方已在阿里云網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建立了多個(gè)量子安全傳輸域(Quantum Portal)，通過(guò)量子傳送門實(shí)現(xiàn)同城數(shù)據(jù)中心互聯(lián)組網(wǎng)，為客戶提供無(wú)條件安全數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

目前，量子通信在軍工、政府，金融上的應(yīng)用比較快，未來(lái)隨著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的逐漸成熟，量子政務(wù)云、能源云，量子白板、量子手機(jī)、量子 POS 機(jī)、量子簽名、量子電話等產(chǎn)品將全面普及，很快會(huì)迎來(lái)“量子+”時(shí)代。

以量子信息技術(shù)為代表的第二次量子革命也一定會(huì)帶來(lái)人類社會(huì)物質(zhì)文明的巨大進(jìn)步，同時(shí)也給了中國(guó)一個(gè)從經(jīng)典信息技術(shù)時(shí)代的跟隨者、模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥?lái)信息技術(shù)引領(lǐng)者的偉大機(jī)遇。

原文標(biāo)題：量子通信打造網(wǎng)絡(luò)信息安全

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