本期話題：
量子通信，緣何成為一場不見硝煙的國際較量？
四年前，量子通信這個頗為「神秘」的技術因兩個重大新聞進入公眾視野。
一個是2016年8月我國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，該衛星既實現了千公裡級的星地高速量子密鑰分發，又實現了遠距離地星量子隱形傳態，意味著「不被破解的加密技術」這個人類千年夢想有了成為現實的科技基礎。
另一個是世界首條量子保密通信骨幹線路「京滬幹線」於2016年底貫通，在歐美一些國家也提出廣域量子通信網規劃的同時，我國這條「京滬幹線」標誌著我國在量子通信技術的實用化和產業化方面繼續走在世界前列。
業界目前有一個共識，即量子技術中的量子通信是當今世界上對信息進行加密的最高級別技術，且在這個技術上，中美兩國也在暗中比拼著速度和實力。
這股熱風下，2016年到2020年國內註冊成立了數千家相關企業。企查查搜索顯示，截至2020年12月，國內經營範圍含「量子」的企業已達到5038家。
在今年11月的2020天翼智能生態博覽會上，中國電信展出了兩臺量子通信手機樣品，可藉助量子密鑰對通話過程進行加密，一時間引發媒體對量子手機的好奇。隨著江蘇省錫山高級中學「量子計算理論與實驗」正式開課，量子計算也開始進入中國中小學課堂。
近日，紫金山科技特邀北京科技大學自動化學院副教授馬彰超博士做客「預見2021」欄目，作為國際電信聯盟FG-QIT4N量子密鑰分發網絡工作組主席、中國通信標準化協會量子通信與信息處理特設組（ST7）量子信息處理工作組副組長，他的一番介紹，為我們揭開了量子通信的神秘面紗。
中美歐之爭背後的量子較量
紫金山科技：最近幾年國內官方媒體和自媒體以及民眾都對量子的新聞很感興趣，但其實說到點子上的不多。主要原因一是對量子信息技術不了解，二是很多應用離消費者很遠。量子信息學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應用。據您了解，在量子通信技術上，目前中國處於一個什麼發展階段？
馬彰超：量子通信是指以量子態為載體來傳遞信息的新型通信手段，包括信號通過發送端的量子態製備、編碼調製、發射，經過光纖或自由空間信道傳播，到接收端的量子態檢測、解調解碼等過程。當前的量子隱形傳態、量子密鑰分發等都是基於量子通信過程、結合經典信息處理技術實現的量子通信典型應用。量子通信所涉及的量子態的製備、檢測等關鍵技術，也是量子計算、量子精密測量等其他量子信息技術的基礎。
基於量子通信技術，有望構建一張遠距離、可擴展、大規模的量子通信網絡，將分布在各地的量子信息處理器互聯，組成承載量子信息的「量子網際網路」，成為量子時代的關鍵基礎設施。它不僅可以實現遠距離、多用戶之間理論無條件安全的量子密碼應用；還可以將分布各地的量子計算機互聯以組成大規模、分布式或雲化的量子計算機，提供更強大的運算能力；同時，還可將不同地點的量子傳感器聯網實施分布式測量，提供更高的測量精度，帶來高精度授時網絡、分布式望遠鏡等先進應用。
基於量子通信構建「量子網際網路」，可以說是美歐量子戰略的終極目標。美國的「國家量子法案」、歐盟的「量子旗艦計劃」均將面向「量子網際網路」的演進發展作為戰略方向，從技術研發與演進、產學研聯動、創新企業孵化激勵、教育與人才培養等各方面系統性地推進量子網際網路的分階段發展目標和路線。
目前大家普遍了解到的量子通信實際是指基於量子通信（量子態製備-發送-檢測）結合後處理算法實現的「量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，QKD）」。這是當前理論最完善、實用化程度最高的量子信息技術。基於光纖連接的QKD網絡，是量子網際網路發展的最初級階段，無論美國或歐盟的量子研發計劃都考慮了QKD網絡，作為量子網際網路演進過程的重要一環。
我國在QKD網絡方面，已經取得了一系列舉世矚目的成果，包括全球首顆「墨子號」量子科學實驗衛星，全球最大規模的QKD骨幹網、城域網及其在金融、政務等多個領域的應用探索。在面向未來的量子網際網路方面，我國科學界也已進行了前瞻性的研究布局。
國際上量子領域科學家認為，中國的量子通信發展可以說對於美歐發展量子科技起到了「喚醒」的作用。
紫金山科技：您所在的ITU量子焦點組據說是國際化標準化組織中第一個量子信息技術焦點組，且目前是由中國任主席是嗎？那這意味著我國的量子信息技術（尤其是量子通信）在國際上是一個比較領先的水平嗎？從哪些方面體現領先？
馬彰超：在前沿科技標準化方面，美歐通常走在中國前面。早在2008年，歐洲電信標準化協會就成立了成立量子密鑰分發行業規範組（ISG-QKD），2018年國際網際網路工程組（IETF/IRTF）成立了「量子網際網路研究組（QIRG）」，ISO、IEC、IEEE等標準組織也紛紛啟動了量子計算、量子通信相關的標準化工作。
我國專家積極參與了國際上的一系列標準化工作，並於2018年開始由國科量子、信通院、科大國盾、中科大、三大運營商等聯合在國際電信聯盟（ITU，聯合國下屬主管ICT事務的官方機構）推動成立量子信息領域的標準化協作平臺，但一度遭到了美歐多國的聯合強烈反對。
但我國代表團不斷努力，前後歷經了8次正式會議，與美歐等多國代表線下不斷溝通，在上海舉辦量子信息國際研討會充分研討，還得益於廣大亞非拉國家代表的強力支持，最終才在2019年9月的TSAG大會成功設立了「面向網絡的量子信息技術焦點組（Focus Group on Quantum Information Technology for Networks，FG-QIT4N）」，由中國科技大學張強教授、美國L3Harris公司James Nagel、俄羅斯電信Alexey Borodin三國專家擔任聯合主席。
該組織是國際上首個涵蓋量子計算、量子通信、量子測量、量子信息網絡等量子信息技術的國際標準合作平臺；同時，也是我國在國際標準化領域取得的重要突破，是我國在ITU-T電信標準顧問組（TSAG）下牽頭設立的首個焦點組。
焦點組能夠最終推動成立，正是我國在量子信息技術領域的實力體現，表明國際社會對於我國量子信息技術發展水平的認可。
紫金山科技：您所在的研究團隊，是針對量子信息技術領域的哪部分內容在做重點研究，可否通俗地解釋一下？並取得哪些進展，從研發到市場方面，各方產業鏈是否也比較積極？
馬彰超：量子信息技術是新興前沿交叉學科，量子技術從實驗室走向產品化與實際應用，離不開量子物理學家與信息通信、網絡工程、信息安全、密碼學等多專業跨領域的協同配合，從理論研究突破、關鍵技術研發、基礎組件及材料、設備研製與晶片化、標準化與應用推廣、教育與人才培養等方方面面夯實基礎、持續發力，才能取得成功。
我們所在的團隊主要來自於傳統信息通信領域，通過與量子物理專家合作，研究構建面向大規模、可擴展、靈活應用的量子網絡，在量子通信組網、部署、應用方面取得了多項發明專利，牽頭編制了量子通信領域十餘項國際、國家及行業標準，包括我國首個量子信息領域的國際標準《Y.3802 QKD網絡功能架構》，研發了全球首套量子密鑰移動化應用系統，發布了多項技術白皮書，獲得北京市科學技術二等獎等獎項。
目前在國家政策的大力支持下，產業鏈各方正在積極開展合作。
近年來成立了中國通信標準化協會量子通信與信息技術特設組、國家密碼行業標委會量子密碼工作組、中國量子計算與測量標準化委員會等機構，為從事理論研究、量子器件製造、量子設備生產、晶片研製、網絡部署、應用服務等方面的相關企業及研究機構提供了開放合作平臺，可以看到產業鏈上下遊正在積極推進量子信息技術從技術研發到標準化，再到實際應用的進程加速發展。
02量子通信的「武功秘籍」
紫金山科技：2016年8月我國成功發射世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，實現了千公裡級的星地高速量子密鑰分發，又實現了遠距離地星量子隱形傳態；2016年底世界首條量子保密通信骨幹線路「京滬幹線」貫通，作為一條實用化的量子通信骨幹網絡向金融、電力、廣電、政務等各行業的保密通信業務開放。這兩個新聞可能是國內媒體最早近距離接觸量子通信的內容，據您了解，到2020年，量子通信在國防、政務、金融和能源等領域，還有哪些進展？
馬彰超：目前所謂的量子通信網絡及其應用，主要是指採用基於量子通信的量子密鑰分發（QKD）技術，實現密鑰的安全分發。實際的多媒體業務利用通過QKD網絡分發的密鑰加密後，仍在傳統網際網路上進行傳輸，實現所謂的量子保密通信。
密鑰分發是密碼學的基礎組件，對於保障信息安全和網絡安全發揮至關重要的作用。傳統密鑰分發是基於人工分配密鑰（高安全場景），或者通過基於大數分解、橢圓曲線等數學複雜問題的公鑰算法來分配密鑰（網際網路常用方式）。而這種基於量子物理的QKD技術，是人類首次利用量子物理手段來實現保密通信的創新實踐，雖然具有理論無條件安全、抗量子計算攻擊等優勢，但相比傳統基於數學算法的密碼技術，面臨著成本經濟、商業模式、網絡部署等諸多挑戰。
但可以看到，近年來QKD也得到了產業界和學術屆的大力支持。在設備層面，QKD的性能增強、小型化、甚至晶片化已在不斷迭代升級；在組網層面，基於可信中繼的QKD網絡也在不斷地擴展完善，全球多國開展試點部署；在標準層面，ITU、ISO/IEC JTC1、ETSI、CCSA等國內外標準組織正在加速制定相應的技術標準；在應用層面，QKD在需要長期安全性保障的領域，例如金融、政務、醫療等方面的商業應用已開始發展。
可以看到，隨著量子保密通信技術和產品的不斷發展成熟，以及傳統算法不斷面臨來自量子計算破解的嚴峻威脅，將來量子保密通信必然在網絡安全領域佔有一席之地，擁有廣闊的應用前景。
紫金山科技：在5G/雲/AI等技術迅速發展的當下，量子通信與這些技術在哪些方面可以結合，並應用於哪些領域呢？
馬彰超：量子信息技術，包括量子通信、量子計算、量子測量以及未來的量子網際網路，都將對當前及未來的ICT技術產生深遠的影響。
量子技術與當前熱點的5G、雲、AI等現有ICT技術的結合，是當前熱門的研究方向，潛在的結合方向有四大類：
一是通過量子密碼（QKD、QRNG等）為5G、雲、AI等ICT技術提供高安全級別的安全保障；二是通過量子精密測量為ICT網絡提供超高精度授時、時間/頻率同步能力；三是通過量子計算為5G信號處理、AI、大數據分析提供超高性能的數據處理能力；四是5G等現有網絡則可為量子通信提供量子信道所需的纖芯管道等基礎設施。
03量子手機，是噱頭嗎？
紫金山科技：不久前媒體報導韓國三星推出了世界首款「量子手機」，中國電信和國盾量子也將推出支持「量子SIM卡」安全通話的手機，在您看來，這樣適合於政府和一些行業的量子終端是否已經足夠成熟？或者還有哪些問題?
馬彰超：韓國三星的「量子手機」是在手機上集成了韓國電信運營商SKT與瑞士全球領先的量子通信設備商ID Quantique聯合研製的量子隨機數發生器（QRNG）晶片。這款晶片可以說是目前成本最低、尺寸最小的量子密碼器件（1*1mm）。它利用的是日內瓦大學發明的基於傳統LED發光、CMOS攝像頭檢測光子數的QRNG專利技術原理，得益於此可以利用當前非常成熟的經典器件來實現，較易實現低成本、集成化。而QRNG僅用於提供隨機數，還無法實現密鑰分發等高級密碼功能。
國內多家設備商可生產QRNG器件，但往往基於量子隨機漲落、分支路徑檢測等更複雜的量子物理原理，通過探測單個量子態來生成量子隨機數。雖然生成速率高、安全性更好，但依賴於專用的量子器件，實現難度大，晶片化、小型化相對較困難，目前也已在大力推動相關晶片的研製。
目前國內推動的一些所謂裝載「量子SIM卡」的量子手機，則是基於量子密鑰離線存儲的原理。通過將QKD或QRNG設備生成的隨機數作為密鑰，分別預置在終端側的SIM卡和中心伺服器上，以實現更安全的通信加密或鑑權認證。
這種技術原理上雖然能取得一些密碼學方面的安全性優勢，例如相比傳統公鑰密鑰分發可以抵抗量子計算攻擊、相比傳統基於根密鑰的對稱密鑰分發可以保證前向安全性等，但實際終端上並未採用任何量子技術，僅需具備足夠大的安全存儲空間來存儲大量的密鑰數據即可。該方案存在離線存儲大量密鑰安全隱患、終端存儲卡空間有限、密鑰用盡仍需重複衝注等問題，僅是QKD移動化應用的一種過渡方案。通過無線鏈路來真正實現實時移動化QKD，仍屬於前沿課題亟待攻關突破。
目前來看，量子器件或設備的小型化、晶片化，已成為量子信息技術（包括QKD）的重要發展方向。一旦QKD或QRNG實現晶片化，即可方便地集成在各類終端設備上，有望大大提升其應用潛力和市場空間。例如SKT&IDQ推動的QRNG晶片，在移動手機、物聯網終端等海量終端設備上都可以得到應用。
04量子通信的2021
紫金山科技：對2021年量子通信在國內的發展，您有何預判？
馬彰超：當前我國高度重視以量子通信等為代表的量子信息科技領域，可以預見該領域的研發或應用都將迎來巨大的發展動力。從推動量子通信領域未來長遠健康發展角度，有如下建議：
一是在統籌協調方面，我國前期通過多領域通力合作，成功取得全球首顆「墨子號」量子衛星、全球最長量子保密通信「京滬幹線」等國際領先成果，引起西方科技強國的廣泛重視。
目前歐美也開始採取舉國力量來發展量子科技，推出一系列自頂向下的政策舉措，例如美國頒布國家量子法案，成立由政府機構、標準組織、科研基金計劃等組成的聯合協調機構，協調匯聚其國內力量，加大投入面向前沿基礎研究和工程應用的基金項目，積極布局智慧財產權和技術標準化等方面，同時聯合其盟友推進其包括國際標準化等關鍵利益述求，通盤考慮推動量子科技領域的產學研合作、人才培養、產業激勵。
建議我國可借鑑其優點，加強跨領域資源協調、頂層戰略規劃，形成基礎研究、產品開發、標準化到應用推廣的閉環協同，促進產業健康發展。
二是在核心技術攻關方面，建議加大重點研發項目支持力度，加強學術界與產業界合作，對於面向中遠期發展的基礎科研投入、面向近期應用的工程技術研發，均應進行布局，同時發揮國際、國內標準組織的協同整合平臺能力，引導新技術面向產業化需求快速突破。
三是在技術融合創新方面，建議加強量子信息技術與新興ICT技術領域的融合發展，鼓勵量子科技領域初創企業發展。利用量子信息技術為主流ICT發展提供增強服務，同時發揮ICT行業規模效應，帶動量子信息產業加快發展。例如，積極探索量子保密通信與5G/6G、工業網際網路等新興ICT技術的融合創新。
四是在標準化及應用推動方面，建議優化現有標準組織頂層設計，推進相關專業領域標準組織加強合作，構建統一的量子信息標準化合作平臺，通過標準化加強產業鏈上下遊開放協作，形成合力、高效協同開展標準化工作；通過標準化實現量子信息通信（Q-ICT）與經典信息通信的互聯互通，促進滿足實際應用需求的量子信息產品規模化、商用化發展；
五是在人才培養方面，目前人才短缺是阻礙量子科技發展和競爭力提升的重要因素，建議加強量子信息專業人才培養機制建設，加大量子信息領域的教育投入和人才培養力度。積極開展量子信息科技培訓，擴大量子專業人才隊伍；在中高等教育中普及加強量子信息科學的學科建設研究；發展量子信息科研和教育基礎設施。
*圖片均來源於網絡*
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