量子通信当今世界上对信息进行加密的最高级别技术

四年前，量子通信这个颇为“神秘”的技术因两个重大新闻进入公众视野。

一个是2016年8月我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，该卫星既实现了千公里级的星地高速量子密钥分发，又实现了远距离地星量子隐形传态，意味着“不被破解的加密技术”这个人类千年梦想有了成为现实的科技基础。

另一个是世界首条量子保密通信骨干线路“京沪干线”于2016年底贯通，在欧美一些国家也提出广域量子通信网规划的同时，我国这条“京沪干线”标志着我国在量子通信技术的实用化和产业化方面继续走在世界前列。

业界目前有一个共识，即量子技术中的量子通信是当今世界上对信息进行加密的最高级别技术，且在这个技术上，中美两国也在暗中比拼着速度和实力。

这股热风下，2016年到2020年国内注册成立了数千家相关企业。企查查搜索显示，截至2020年12月，国内经营范围含“量子”的企业已达到5038家。

在今年11月的2020天翼智能生态博览会上，中国电信展出了两台量子通信手机样品，可借助量子密钥对通话过程进行加密，一时间引发媒体对量子手机的好奇。随着江苏省锡山高级中学“量子计算理论与实验”正式开课，量子计算也开始进入中国中小学课堂。

近日，紫金山科技特邀北京科技大学自动化学院副教授马彰超博士做客“预见2021”栏目，作为国际电信联盟FG-QIT4N量子密钥分发网络工作组主席、中国通信标准化协会量子通信与信息处理特设组(ST7)量子信息处理工作组副组长，他的一番介绍，为我们揭开了量子通信的神秘面纱。

中美欧之争背后的量子较量

紫金山科技：最近几年国内官方媒体和自媒体以及民众都对量子的新闻很感兴趣，但其实说到点子上的不多。主要原因一是对量子信息技术不了解，二是很多应用离消费者很远。量子信息学的重要分支之一是量子通信，而量子保密通信是目前量子通信最重要的应用。据您了解，在量子通信技术上，目前中国处于一个什么发展阶段?

马彰超：量子通信是指以量子态为载体来传递信息的新型通信手段，包括信号通过发送端的量子态制备、编码调制、发射，经过光纤或自由空间信道传播，到接收端的量子态检测、解调解码等过程。当前的量子隐形传态、量子密钥分发等都是基于量子通信过程、结合经典信息处理技术实现的量子通信典型应用。量子通信所涉及的量子态的制备、检测等关键技术，也是量子计算、量子精密测量等其他量子信息技术的基础。

基于量子通信技术，有望构建一张远距离、可扩展、大规模的量子通信网络，将分布在各地的量子信息处理器互联，组成承载量子信息的“量子互联网”，成为量子时代的关键基础设施。它不仅可以实现远距离、多用户之间理论无条件安全的量子密码应用;还可以将分布各地的量子计算机互联以组成大规模、分布式或云化的量子计算机，提供更强大的运算能力;同时，还可将不同地点的量子传感器联网实施分布式测量，提供更高的测量精度，带来高精度授时网络、分布式望远镜等先进应用。

基于量子通信构建“量子互联网”，可以说是美欧量子战略的终极目标。美国的“国家量子法案”、欧盟的“量子旗舰计划”均将面向“量子互联网”的演进发展作为战略方向，从技术研发与演进、产学研联动、创新企业孵化激励、教育与人才培养等各方面系统性地推进量子互联网的分阶段发展目标和路线。

目前大家普遍了解到的量子通信实际是指基于量子通信(量子态制备-发送-检测)结合后处理算法实现的“量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)”。这是当前理论最完善、实用化程度最高的量子信息技术。基于光纤连接的QKD网络，是量子互联网发展的最初级阶段，无论美国或欧盟的量子研发计划都考虑了QKD网络，作为量子互联网演进过程的重要一环。

我国在QKD网络方面，已经取得了一系列举世瞩目的成果，包括全球首颗“墨子号”量子科学实验卫星，全球最大规模的QKD骨干网、城域网及其在金融、政务等多个领域的应用探索。在面向未来的量子互联网方面，我国科学界也已进行了前瞻性的研究布局。

国际上量子领域科学家认为，中国的量子通信发展可以说对于美欧发展量子科技起到了“唤醒”的作用。

紫金山科技：您所在的ITU量子焦点组据说是国际化标准化组织中第一个量子信息技术焦点组，且目前是由中国任主席是吗?那这意味着我国的量子信息技术(尤其是量子通信)在国际上是一个比较领先的水平吗?从哪些方面体现领先?

马彰超：在前沿科技标准化方面，美欧通常走在中国前面。早在2008年，欧洲电信标准化协会就成立了成立量子密钥分发行业规范组(ISG-QKD)，2018年国际互联网工程组(IETF/IRTF)成立了“量子互联网研究组(QIRG)”，ISO、IEC、IEEE等标准组织也纷纷启动了量子计算、量子通信相关的标准化工作。

我国专家积极参与了国际上的一系列标准化工作，并于2018年开始由国科量子、信通院、科大国盾、中科大、三大运营商等联合在国际电信联盟(ITU，联合国下属主管ICT事务的官方机构)推动成立量子信息领域的标准化协作平台，但一度遭到了美欧多国的联合强烈反对。

但我国代表团不断努力，前后历经了8次正式会议，与美欧等多国代表线下不断沟通，在上海举办量子信息国际研讨会充分研讨，还得益于广大亚非拉国家代表的强力支持，最终才在2019年9月的TSAG大会成功设立了“面向网络的量子信息技术焦点组(Focus Group on Quantum Information Technology for Networks，FG-QIT4N)”，由中国科技大学张强教授、美国L3Harris公司James Nagel、俄罗斯电信Alexey Borodin三国专家担任联合主席。

该组织是国际上首个涵盖量子计算、量子通信、量子测量、量子信息网络等量子信息技术的国际标准合作平台;同时，也是我国在国际标准化领域取得的重要突破，是我国在ITU-T电信标准顾问组(TSAG)下牵头设立的首个焦点组。

焦点组能够最终推动成立，正是我国在量子信息技术领域的实力体现，表明国际社会对于我国量子信息技术发展水平的认可。

紫金山科技：您所在的研究团队，是针对量子信息技术领域的哪部分内容在做重点研究，可否通俗地解释一下?并取得哪些进展，从研发到市场方面，各方产业链是否也比较积极?

马彰超：量子信息技术是新兴前沿交叉学科，量子技术从实验室走向产品化与实际应用，离不开量子物理学家与信息通信、网络工程、信息安全、密码学等多专业跨领域的协同配合，从理论研究突破、关键技术研发、基础组件及材料、设备研制与芯片化、标准化与应用推广、教育与人才培养等方方面面夯实基础、持续发力，才能取得成功。

我们所在的团队主要来自于传统信息通信领域，通过与量子物理专家合作，研究构建面向大规模、可扩展、灵活应用的量子网络，在量子通信组网、部署、应用方面取得了多项发明专利，牵头编制了量子通信领域十余项国际、国家及行业标准，包括我国首个量子信息领域的国际标准《Y.3802 QKD网络功能架构》，研发了全球首套量子密钥移动化应用系统，发布了多项技术白皮书，获得北京市科学技术二等奖等奖项。

目前在国家政策的大力支持下，产业链各方正在积极开展合作。

近年来成立了中国通信标准化协会量子通信与信息技术特设组、国家密码行业标委会量子密码工作组、中国量子计算与测量标准化委员会等机构，为从事理论研究、量子器件制造、量子设备生产、芯片研制、网络部署、应用服务等方面的相关企业及研究机构提供了开放合作平台，可以看到产业链上下游正在积极推进量子信息技术从技术研发到标准化，再到实际应用的进程加速发展。

量子通信的“武功秘籍”

紫金山科技：2016年8月我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，实现了千公里级的星地高速量子密钥分发，又实现了远距离地星量子隐形传态;2016年底世界首条量子保密通信骨干线路“京沪干线”贯通，作为一条实用化的量子通信骨干网络向金融、电力、广电、政务等各行业的保密通信业务开放。这两个新闻可能是国内媒体最早近距离接触量子通信的内容，据您了解，到2020年，量子通信在国防、政务、金融和能源等领域，还有哪些进展。

马彰超：目前所谓的量子通信网络及其应用，主要是指采用基于量子通信的量子密钥分发(QKD)技术，实现密钥的安全分发。实际的多媒体业务利用通过QKD网络分发的密钥加密后，仍在传统互联网上进行传输，实现所谓的量子保密通信。

密钥分发是密码学的基础组件，对于保障信息安全和网络安全发挥至关重要的作用。传统密钥分发是基于人工分配密钥(高安全场景)，或者通过基于大数分解、椭圆曲线等数学复杂问题的公钥算法来分配密钥(互联网常用方式)。而这种基于量子物理的QKD技术，是人类首次利用量子物理手段来实现保密通信的创新实践，虽然具有理论无条件安全、抗量子计算攻击等优势，但相比传统基于数学算法的密码技术，面临着成本经济、商业模式、网络部署等诸多挑战。

但可以看到，近年来QKD也得到了产业界和学术届的大力支持。在设备层面，QKD的性能增强、小型化、甚至芯片化已在不断迭代升级;在组网层面，基于可信中继的QKD网络也在不断地扩展完善，全球多国开展试点部署;在标准层面，ITU、ISO/IEC JTC1、ETSI、CCSA等国内外标准组织正在加速制定相应的技术标准;在应用层面，QKD在需要长期安全性保障的领域，例如金融、政务、医疗等方面的商业应用已开始发展。

可以看到，随着量子保密通信技术和产品的不断发展成熟，以及传统算法不断面临来自量子计算破解的严峻威胁，将来量子保密通信必然在网络安全领域占有一席之地，拥有广阔的应用前景。

紫金山科技：在5G/云/AI等技术迅速发展的当下，量子通信与这些技术在哪些方面可以结合，并应用于哪些领域呢?

马彰超：量子信息技术，包括量子通信、量子计算、量子测量以及未来的量子互联网，都将对当前及未来的ICT技术产生深远的影响。

量子技术与当前热点的5G、云、AI等现有ICT技术的结合，是当前热门的研究方向，潜在的结合方向有四大类：

一是通过量子密码(QKD、QRNG等)为5G、云、AI等ICT技术提供高安全级别的安全保障;二是通过量子精密测量为ICT网络提供超高精度授时、时间/频率同步能力;三是通过量子计算为5G信号处理、AI、大数据分析提供超高性能的数据处理能力;四是5G等现有网络则可为量子通信提供量子信道所需的纤芯管道等基础设施。

量子手机，是噱头吗?

紫金山科技：不久前媒体报道韩国三星推出了世界首款“量子手机”，中国电信和国盾量子也将推出支持“量子SIM卡”安全通话的手机，在您看来，这样适合于政府和一些行业的量子终端是否已经足够成熟?或者还有哪些问题?

马彰超：韩国三星的“量子手机”是在手机上集成了韩国电信运营商SKT与瑞士全球领先的量子通信设备商ID Quantique联合研制的量子随机数发生器(QRNG)芯片。这款芯片可以说是目前成本最低、尺寸最小的量子密码器件(1*1mm)。它利用的是日内瓦大学发明的基于传统LED发光、CMOS摄像头检测光子数的QRNG专利技术原理，得益于此可以利用当前非常成熟的经典器件来实现，较易实现低成本、集成化。而QRNG仅用于提供随机数，还无法实现密钥分发等高级密码功能。

国内多家设备商可生产QRNG器件，但往往基于量子随机涨落、分支路径检测等更复杂的量子物理原理，通过探测单个量子态来生成量子随机数。虽然生成速率高、安全性更好，但依赖于专用的量子器件，实现难度大，芯片化、小型化相对较困难，目前也已在大力推动相关芯片的研制。

目前国内推动的一些所谓装载“量子SIM卡”的量子手机，则是基于量子密钥离线存储的原理。通过将QKD或QRNG设备生成的随机数作为密钥，分别预置在终端侧的SIM卡和中心服务器上，以实现更安全的通信加密或鉴权认证。

这种技术原理上虽然能取得一些密码学方面的安全性优势，例如相比传统公钥密钥分发可以抵抗量子计算攻击、相比传统基于根密钥的对称密钥分发可以保证前向安全性等，但实际终端上并未采用任何量子技术，仅需具备足够大的安全存储空间来存储大量的密钥数据即可。该方案存在离线存储大量密钥安全隐患、终端存储卡空间有限、密钥用尽仍需重复冲注等问题，仅是QKD移动化应用的一种过渡方案。通过无线链路来真正实现实时移动化QKD，仍属于前沿课题亟待攻关突破。

目前来看，量子器件或设备的小型化、芯片化，已成为量子信息技术(包括QKD)的重要发展方向。一旦QKD或QRNG实现芯片化，即可方便地集成在各类终端设备上，有望大大提升其应用潜力和市场空间。例如SKT&IDQ推动的QRNG芯片，在移动手机、物联网终端等海量终端设备上都可以得到应用。

量子通信的2021

紫金山科技：对2021年量子通信在国内的发展，您有何预判?

马彰超：当前我国高度重视以量子通信等为代表的量子信息科技领域，可以预见该领域的研发或应用都将迎来巨大的发展动力。从推动量子通信领域未来长远健康发展角度，有如下建议：

一是在统筹协调方面，我国前期通过多领域通力合作，成功取得全球首颗“墨子号”量子卫星、全球最长量子保密通信“京沪干线”等国际领先成果，引起西方科技强国的广泛重视。

目前欧美也开始采取举国力量来发展量子科技，推出一系列自顶向下的政策举措，例如美国颁布国家量子法案，成立由政府机构、标准组织、科研基金计划等组成的联合协调机构，协调汇聚其国内力量，加大投入面向前沿基础研究和工程应用的基金项目，积极布局知识产权和技术标准化等方面，同时联合其盟友推进其包括国际标准化等关键利益述求，通盘考虑推动量子科技领域的产学研合作、人才培养、产业激励。

建议我国可借鉴其优点，加强跨领域资源协调、顶层战略规划，形成基础研究、产品开发、标准化到应用推广的闭环协同，促进产业健康发展。

二是在核心技术攻关方面，建议加大重点研发项目支持力度，加强学术界与产业界合作，对于面向中远期发展的基础科研投入、面向近期应用的工程技术研发，均应进行布局，同时发挥国际、国内标准组织的协同整合平台能力，引导新技术面向产业化需求快速突破。

三是在技术融合创新方面，建议加强量子信息技术与新兴ICT技术领域的融合发展，鼓励量子科技领域初创企业发展。利用量子信息技术为主流ICT发展提供增强服务，同时发挥ICT行业规模效应，带动量子信息产业加快发展。例如，积极探索量子保密通信与5G/6G、工业互联网等新兴ICT技术的融合创新。

四是在标准化及应用推动方面，建议优化现有标准组织顶层设计，推进相关专业领域标准组织加强合作，构建统一的量子信息标准化合作平台，通过标准化加强产业链上下游开放协作，形成合力、高效协同开展标准化工作;通过标准化实现量子信息通信(Q-ICT)与经典信息通信的互联互通，促进满足实际应用需求的量子信息产品规模化、商用化发展;

五是在人才培养方面，目前人才短缺是阻碍量子科技发展和竞争力提升的重要因素，建议加强量子信息专业人才培养机制建设，加大量子信息领域的教育投入和人才培养力度。积极开展量子信息科技培训，扩大量子专业人才队伍;在中高等教育中普及加强量子信息科学的学科建设研究;发展量子信息科研和教育基础设施。

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