美國(guó)正式打造出第一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)的第一站

在曼哈頓市中心與新澤西之間的荷蘭隧道穿行的通勤者們并不知道，就在他們的車(chē)窗外，全長(zhǎng)8,558英尺（約2600米）的隧道中，一種可能代表未來(lái)的通信技術(shù)正在進(jìn)行測(cè)試。

任何一家稍微說(shuō)的過(guò)去的情報(bào)機(jī)構(gòu)都可以對(duì)普通的光纜中的信息進(jìn)行攔截和竊聽(tīng)：只要將其彎曲，而后用專門(mén)的硬件來(lái)將其中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。而使用這條線進(jìn)行通訊的人則完全無(wú)法知道有人正在實(shí)行竊聽(tīng)，因?yàn)殡p方的通信并未因此有一絲的延遲。

但QKD，也就是人們常說(shuō)的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，借由量子物理之力解決了這個(gè)問(wèn)題。在每條光纜的終端加裝QKD系統(tǒng)，從外表看起來(lái)很可能就和數(shù)據(jù)中心常見(jiàn)的黑匣子一般，然后通過(guò)激光將僅比單個(gè)光子稍微大一些的光信號(hào)以弱脈沖的方式發(fā)射。在這種情況下，如果光纖中任何脈沖的路徑被中斷，使信號(hào)未以預(yù)期的時(shí)間（納秒級(jí)）到達(dá)端點(diǎn)，雙方將會(huì)立即知曉此條通信已經(jīng)被泄露。

承接這項(xiàng)工程的正是此前宣布打造美國(guó)第一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)的Quantum Xchange公司，這條沿著美國(guó)東海岸彎延的全長(zhǎng)500英里（約805 km）州際QKD網(wǎng)絡(luò)，將保證商業(yè)企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)能夠無(wú)視距離并且絕對(duì)安全地傳輸數(shù)據(jù)，為現(xiàn)在和未來(lái)重要數(shù)字資產(chǎn)的安全提供終極防御。

而在荷蘭隧道中的這條“量子光纜”則是他們高安全性美國(guó)量子互聯(lián)網(wǎng)的第一站，作為一個(gè)商業(yè)公司，Quantum Xchange選擇的首要目標(biāo)是將911之后的華爾街金融系統(tǒng)重新打通。Quantum Xchange表示（目前）高端投資者是他們第一目標(biāo)市場(chǎng)，但他們希望能借此將系統(tǒng)盡快地拓展到其他行業(yè)，從醫(yī)療保健到關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施都能使用更加安全地通信。

“金融公司認(rèn)為這是一個(gè)微分器（意為穩(wěn)定可靠、抗干擾），”Quantum Xchange首席執(zhí)行官John Prisco說(shuō)幾家大型金融機(jī)構(gòu)正在測(cè)試他們的量子光纖管道，并考慮使用QKD技術(shù)來(lái)保護(hù)他們最敏感的數(shù)據(jù)信息，包括交易算法和客戶結(jié)算，但他在接受彭博社的采訪時(shí)（受保密協(xié)議約束）拒絕透漏更多信息。

Quantum Xchange的目標(biāo)是將光纜從波士頓一直延伸到華盛頓特區(qū)，推廣到政府機(jī)構(gòu)，Prisco此前也曾表示，“屆時(shí)，在波士頓的公司將能夠向華盛頓特區(qū)甚至更遠(yuǎn)的的合作伙伴進(jìn)行真正的安全通信。我們的目標(biāo)是繼續(xù)購(gòu)買(mǎi)Zayo（美國(guó)托管和網(wǎng)絡(luò)提供商，提供暗光纖服務(wù)）部署于全國(guó)的暗光纖，這樣我們就可以部署一個(gè)為整個(gè)國(guó)家服務(wù)的量子安全網(wǎng)絡(luò)，我們相信，在量子計(jì)算機(jī)前所未有的力量成為攻擊性武器之前建立QKD防御戰(zhàn)略至關(guān)重要。同Zayo公司的合作，標(biāo)志著量子密鑰交換在商業(yè)環(huán)境中首次在美國(guó)境內(nèi)完成，這是我們‘點(diǎn)亮’全國(guó)的暗光纖量子網(wǎng)絡(luò)的第一步?！倍F(xiàn)在他們確實(shí)地邁出了這第一步。

QKD網(wǎng)絡(luò)以經(jīng)典比特方式發(fā)送編碼后的信息，而解碼它的密鑰則以量子比特的形式發(fā)送。這些數(shù)據(jù)包通過(guò)光子經(jīng)由光纖電纜傳輸。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于，任何窺探量子比特的嘗試都會(huì)立即摧毀其脆弱的量子態(tài)，消除其所攜帶的所有數(shù)據(jù)，這基本上意味著QKD技術(shù)目前無(wú)法破解（這僅僅意味著理論上unhackable，但是并不代表物理上unbreakble）。

當(dāng)然，除了成碼率、誤碼率、工程問(wèn)題外，QKD技術(shù)現(xiàn)在以及今后必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題是距離限制。目前，地面QKD傳輸?shù)挠行?shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是由東芝歐洲研究院的劍橋研究實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)下的421 km（如果按照東芝的Twin-Field QKD協(xié)議，則最遠(yuǎn)距離將突破500 km）。然而，對(duì)于真實(shí)條件下的高速傳輸，記錄僅為約97 km（短距密鑰高速傳輸亦只有1 Mbps左右的速度，同樣如果以東芝的協(xié)議為方案將突破10 Mbps，但傳輸距離僅有不到7 km；一般來(lái)說(shuō)在超過(guò)百余公里后，速度將衰減為十幾 kbps）。

因此為了解決這個(gè)問(wèn)題，包括Quantum Xchange在內(nèi)的大多數(shù)公司都選擇增加可信中繼節(jié)點(diǎn)的方式。（另一種中繼方式為量子中繼，即利用量子態(tài)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)量子糾纏的遠(yuǎn)距離分發(fā)，無(wú)需保證中繼節(jié)點(diǎn)可信，但仍處于理論研究階段，實(shí)用化仍有距離，目前國(guó)內(nèi)中科大、清華大學(xué)均有涉及。）

中國(guó)的量子干線是一個(gè)典型的例子，從各省市的QKD實(shí)驗(yàn)網(wǎng)、城域網(wǎng)，到總長(zhǎng)超過(guò)2000 km仍在不斷完善、延伸的京滬干線，采用的均是可信中繼方案進(jìn)行密鑰中繼，除了類似合肥、武漢、廣州等骨干節(jié)點(diǎn)外，每條專線、每個(gè)城域網(wǎng)都建有大量的中繼節(jié)點(diǎn)，以保證密鑰傳輸速率以及安全性。（但在這些中繼節(jié)點(diǎn)中，密鑰的生成和存儲(chǔ)不再受量子特性的保護(hù)，因此極易受到黑客以及物理形式攻擊的威脅，前NSA網(wǎng)絡(luò)安全專家Anthony Lawrence曾表示，中國(guó)使用武裝警衛(wèi)來(lái)保護(hù)他們量子干線上的中繼節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然事實(shí)上，除了某些特殊地點(diǎn)外，實(shí)際普遍采用的是異或中繼技術(shù)以及端到端的密鑰共享方案來(lái)保證中繼節(jié)點(diǎn)的安全性。

從某種角度上來(lái)看，我國(guó)采用這種廣而全的“大尺度”方式推進(jìn)試點(diǎn)和網(wǎng)建，也是為了彌補(bǔ)因?yàn)檎吆涂蒲袡C(jī)構(gòu)主導(dǎo)而帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)力不足的影響，以探索的方式推進(jìn)城市內(nèi)部的拓展應(yīng)用，可以合理地在實(shí)踐中保證產(chǎn)業(yè)鏈、研發(fā)、應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化工作的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步。

目前，除了我國(guó)外，美國(guó)、奧地利（歐盟）、西班牙、日本都在早期便建立了自己的QKD實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，而隨著理論與技術(shù)的成熟，2013年（京滬干線計(jì)劃正式立項(xiàng)）之后，全球大規(guī)模量子保密通信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，美國(guó)、英國(guó)、歐盟、意大利、韓國(guó)等國(guó)均啟動(dòng)各自的國(guó)家量子骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)計(jì)劃。

值得一提的是早在“十二五”規(guī)劃中，我國(guó)便將量子通信與量子計(jì)算作為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略領(lǐng)域方向進(jìn)行系統(tǒng)布局。并在“空間科學(xué)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中，部署實(shí)施“量子科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃”，開(kāi)展星—地量子通信技術(shù)研究（這一系列研究的展開(kāi)和立項(xiàng)得益于2005年潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)證明了星地量子通信的可能性），最終得以在2017年實(shí)現(xiàn)1200公里自由空間量子密鑰分發(fā)，并成功打造了“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星和“京滬干線”相結(jié)合的天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形。

在國(guó)際上收獲巨大聲譽(yù)的同時(shí)，我國(guó)的量子保密通信同時(shí)也遭受到了巨大的質(zhì)疑，主要原因在于重大科技產(chǎn)業(yè)普遍面臨著（產(chǎn)業(yè)、教育）成本過(guò)高、用戶群體高端化等難題。

另一方面的問(wèn)題則是，盡管：

得益于"京滬干線"、沿線城域網(wǎng)以及各地政企專網(wǎng)，我國(guó)已經(jīng)具備了為多行業(yè)、多領(lǐng)域提供量子保密應(yīng)用服務(wù)的能力。

在金融領(lǐng)域，早在2011年，中科大就與新華社開(kāi)展了量子通信在金融信息安全方面的應(yīng)用研究，并于同年完成了全球首個(gè)“金融信息量子保密通信技術(shù)驗(yàn)證專線”；而在京滬干線建設(shè)初期階段便已嘗試與銀行系統(tǒng)、檔案、數(shù)據(jù)庫(kù)接入，通過(guò)與銀監(jiān)會(huì)合作率先與10多家銀行以及其他金融機(jī)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)據(jù)中心異地災(zāi)備、企業(yè)網(wǎng)銀實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)賬等應(yīng)用試驗(yàn)，特別是與中國(guó)人民銀行合作打造的以"人民幣跨境收付信息管理系統(tǒng)RCPMIS" 為核心的量子保密通信應(yīng)用，首批即有14家單位參與其中，并欲以量子干線為基礎(chǔ)向全國(guó)推廣；

在云服務(wù)領(lǐng)域，與阿里云合作，融合量子和云技術(shù)，在云上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)商銀行商業(yè)數(shù)據(jù)的加密傳輸；

在電力領(lǐng)域，通過(guò)與國(guó)家電網(wǎng)合作，實(shí)現(xiàn)了電力領(lǐng)域重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息利用量子保密通信技術(shù)在京滬兩地災(zāi)備中心之間的加密傳輸，并復(fù)用京滬干線沿線量子城域網(wǎng)開(kāi)展基于量子保密通信技術(shù)的內(nèi)部辦公和對(duì)外業(yè)務(wù)的安全防護(hù)；

在行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，最高人民法院與安徽省高院之間正在開(kāi)展量子視頻試點(diǎn)業(yè)務(wù)。

此外，武警、檢察院以及醫(yī)療大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用示范正在逐步推進(jìn)。

我們?nèi)匀蝗鄙龠m合推廣的商業(yè)模式以及殺手級(jí)應(yīng)用。

在全國(guó)政協(xié)十三屆二次會(huì)議舉行的記者會(huì)上，全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、中科院院士潘建偉表示，“我國(guó)目前在量子信息領(lǐng)域有一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，甚至在部分方向上還處于國(guó)際領(lǐng)先地位，但也不能太樂(lè)觀，有些優(yōu)勢(shì)受到歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的強(qiáng)烈沖擊。跟傳統(tǒng)的國(guó)際科技強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)以往的科研組織模式以短期的科研項(xiàng)目為主，所以在滿足國(guó)家戰(zhàn)略緊迫需求，以及在科技資源的整合力度和支持強(qiáng)度上還是有所不足，企業(yè)對(duì)于前沿科技的投入熱情，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有一定的差距?！?/p>

“中國(guó)要做好科技創(chuàng)新，需要黨和國(guó)家高瞻遠(yuǎn)矚，進(jìn)行整體性布局?！辈⒈硎玖孔有畔⒖茖W(xué)，已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)深化和快速發(fā)展的階段，特別需要多學(xué)科的交叉融合和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，希望國(guó)家在這一領(lǐng)域部署重大科技項(xiàng)目，構(gòu)建國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

考慮到國(guó)情和現(xiàn)實(shí)，自上而下的統(tǒng)籌部署和實(shí)施似乎是這個(gè)領(lǐng)域最合理的方案。隨著2016年“十三五規(guī)劃”中“2030量子通信與量子計(jì)算機(jī)重大專項(xiàng)”的釋出，以及伴隨中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整而出現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)遷移、轉(zhuǎn)型而帶來(lái)的中部區(qū)域崛起，尤其是新興工業(yè)和中高端制造業(yè)，政策方面特別是科研教育人才政策的資源稟賦越發(fā)顯著，合肥、濟(jì)南、重慶等地都圍繞轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新先后投入重金塑造自己的產(chǎn)業(yè)集群和產(chǎn)業(yè)品牌——“量子谷”。

無(wú)論是環(huán)節(jié)還是平臺(tái)規(guī)劃的如何合理，最終，轉(zhuǎn)化永遠(yuǎn)是科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

我們可以確定地說(shuō)，量子密鑰分配是目前量子信息技術(shù)最具現(xiàn)實(shí)意義和可行性的商業(yè)應(yīng)用。盡管如此，我國(guó)的量子通信商業(yè)化之路仍充滿坎坷，即使是在上文所說(shuō)的金融、政務(wù)領(lǐng)域，還是更加隱秘軍事方面的都摸索出了獨(dú)特的道路，但產(chǎn)業(yè)鏈下游的應(yīng)用和環(huán)境仍然以政府牽頭為主，簡(jiǎn)單說(shuō)就是“資本靠政策，市場(chǎng)看市長(zhǎng)”，而相關(guān)產(chǎn)業(yè)和商業(yè)模式仍很稚嫩甚至脆弱，從各個(gè)商業(yè)公司包括國(guó)科、國(guó)盾、問(wèn)天等在內(nèi)公布的信息來(lái)看，受制于目前研究階段、市場(chǎng)主體發(fā)育不健全、關(guān)鍵型項(xiàng)目（品牌）缺乏等因素，相關(guān)項(xiàng)目仍較為單一。

同時(shí)，量子通信仍處于被廣泛應(yīng)用前的階段，需要大量的科普工作，大眾、市場(chǎng)心存疑慮是必然，也是必須的，任何沒(méi)能通過(guò)考驗(yàn)的項(xiàng)目。但我們同樣必須清楚的是量子通信領(lǐng)域的研究和發(fā)展也是必須的，因?yàn)榭萍加肋h(yuǎn)向前。

而我們未能看到真正大規(guī)模QKD商業(yè)部署的另一個(gè)可能被忽視的原因是QKD技術(shù)與當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并不兼容，當(dāng)然這個(gè)并不是我們今天的課題，我們可能會(huì)留到未來(lái)的某一期與通信網(wǎng)旗下的另一個(gè)公號(hào)“光通信觀察”聯(lián)動(dòng)展開(kāi)。