【前沿科技科普】量子通信：未來自主可控信息安全生态的重要保障

“量子”已經(jīng)是當下的熱門研究領域。作爲吃瓜群衆，可能(néng)用過(guò)“遇事(shì)不決，量子力學(xué)”的梗，也可能(néng)交過(guò)“量子茶杯”的智商稅……不過(guò)，到底量子科技是什麼(me)？你知道(dào)嗎？圍繞量子信息科技主題，潘建偉院士團隊撰寫了本科普文章，對(duì)量子信息科技進(jìn)行了較爲完整的介紹和展望。

信息安全是事(shì)關國(guó)計民生的重大戰略領域。傳統的信息安全通過(guò)依賴于計算複雜度的加密算法來實現，然而随著(zhe)計算能(néng)力的飛速發(fā)展，依賴于計算複雜度的傳統加密算法面(miàn)臨著(zhe)日益加劇的安全風險。

基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信是迄今唯一原理上無條件安全的通信方式。

量子密鑰分發(fā)是指利用量子态來加載信息，通過(guò)一定的協議産生密鑰。量子力學(xué)基本原理保證了密鑰的不可竊聽，從而實現安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基于物理學(xué)基本原理，與計算複雜度無關，即使未來強大的量子計算機問世也不會(huì)對(duì)其安全性形成(chéng)威脅。

量子保密通信是最先走向(xiàng)實用化和産業化的量子信息技術。通過(guò)量子密鑰分發(fā)所生成(chéng)的安全密鑰，除了原理上無條件安全的“一次一密”加密方式外，還(hái)可以與經(jīng)典對(duì)稱加密算法相結合，兼顧安全性與通信速率。例如，按照現有技術水平，量子密鑰分發(fā)與AES(高級加密标準)加密算法相結合，可以達到Gbps(交換帶寬)的通信速率，同時大幅提升種(zhǒng)子密鑰的更新率，有效提升通信安全水平。此外，也可與下一代的“PQC(抗量子計算密碼)”相結合，增強身份認證等的安全性。

廣域量子通信的發(fā)展路線

量子通信的發(fā)展目标是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體系。通過(guò)光纖實現城域量子通信網絡，進(jìn)而通過(guò)中繼器實現鄰近兩(liǎng)個城市之間的連接，最終通過(guò)衛星平台的中轉實現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網絡的發(fā)展路線。

在城域量子通信網絡方面(miàn)，中國(guó)科學(xué)技術大學(xué)先後(hòu)建成(chéng)國(guó)際上首個全通型城域量子通信網絡、首個量子政務網以及首個規模化城域量子通信網絡，并在這(zhè)一過(guò)程中將(jiāng)相關技術發(fā)展成(chéng)熟，自主研制的量子保密通信裝備已經(jīng)爲很多重要活動提供了信息安全保障。

在基于可信中繼的城際量子通信網絡方面(miàn)，國(guó)際上首條遠距離光纖量子保密通信骨幹網“京滬幹線”，于2016年底全線貫通。幹線全長(cháng)2000餘公裡(lǐ)，連接北京和上海，貫穿濟南、合肥等地。在沿線金融、政務、電力等部門的合作下，開(kāi)展遠距離量子保密通信的技術驗證與應用示範。

在“京滬幹線”應用示範的基礎上，國(guó)家發(fā)展改革委于2018年2月批複了“國(guó)家廣域量子保密通信骨幹網絡”項目，將(jiāng)覆蓋京津冀、長(cháng)三角、粵港澳、成(chéng)渝等重要區域，推動量子保密通信的規模化應用。

在星地自由空間量子通信方面(miàn)，在中國(guó)科學(xué)院的支持下，中國(guó)科學(xué)技術大學(xué)聯合中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院等單位，研制成(chéng)功世界上首顆量子科學(xué)實驗衛星“墨子号”。

“墨子号”于2016年8月發(fā)射升空，在國(guó)際上率先實現了星地量子通信，首次實現了距離達7600公裡(lǐ)的洲際量子通信，充分驗證了基于衛星平台實現全球化量子通信的可行性。

利用“墨子号”積累的成(chéng)功經(jīng)驗，量子衛星的研制成(chéng)本已由數億元降到千萬元量級，預計2022年初小型化量子衛星將(jiāng)發(fā)射升空，爲構建低成(chéng)本的星群奠定基礎。地面(miàn)接收站的重量也已由十幾噸降到100公斤左右，可初步支持移動量子通信。結合“墨子号”量子衛星與“京滬幹線”，我國(guó)率先構建了天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形，成(chéng)爲近年來國(guó)際量子信息研究的一大标志性事(shì)件。

量子通信技術應用推廣

2020年10月16日，中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學(xué)習，習近平總書記主持學(xué)習并指出，“統籌基礎研究、前沿技術、工程技術研發(fā)，培育量子通信等戰略性新興産業，搶占量子科技國(guó)際競争制高點，構築發(fā)展新優勢”。“京滬幹線”和“墨子号”量子衛星等，都(dōu)是基于我國(guó)前期，10餘年的基礎和應用研究成(chéng)果而進(jìn)行的工程化集成(chéng)與驗證項目，爲核心器件的自主研發(fā)、相關應用标準的制定和未來規模化的應用起(qǐ)到了良好(hǎo)的示範效果，穩步推進(jìn)了量子保密通信在商業和國(guó)家安全領域的應用。

在核心量子通信器件方面(miàn)，中國(guó)電子科技集團有限公司、中國(guó)科學(xué)技術大學(xué)、中科院上海微系統與信息技術研究所等實現了通信波段單光子探測器和量子随機數産生器等主要器件的初步國(guó)産化，打破了國(guó)外禁運的壁壘。在未來2至3年，通過(guò)關鍵器件的芯片化，量子加密設備的尺寸可縮小到手機大小，并大幅降低成(chéng)本。相關應用标準制定方面(miàn)，在我國(guó)50餘家科研機構和企業的積極參與下，中國(guó)通信标準化協會(huì)、全國(guó)信息安全标準化技術委員會(huì)、密碼行業标準化技術委員會(huì)等國(guó)家标準組織，圍繞量子保密通信技術的互聯互通、安全測評、應用服務等方面(miàn)，編制了多項國(guó)家标準和行業标準。我國(guó)學(xué)者突破了美加等西方國(guó)家的阻礙，在國(guó)際電信聯盟發(fā)起(qǐ)成(chéng)立了國(guó)際首個涵蓋量子信息全領域的标準化組織，目前正在牽頭編制多項國(guó)際标準。

量子通信技術發(fā)展前景

近年來，我國(guó)學(xué)者在單光子雷達領域已取得了一批具有國(guó)際影響力的成(chéng)果：突破了常溫下探測紅外單光子的量子效率極限，實現了遠距離紅外單光子大氣雷達探測；實現了大氣風場的晝夜連續探測，并創造了200公裡(lǐ)的單光子成(chéng)像最遠距離世界紀錄。

同時，利用單光子雷達能(néng)夠對(duì)隐藏在視線外的物體進(jìn)行觀測，即“非視域成(chéng)像”，實現“隔牆觀物”，在反恐防暴、緊急救援等領域具有廣泛的應用前景;實現了遠距離非視域成(chéng)像，首次將(jiāng)成(chéng)像距離從米級提高到公裡(lǐ)級，極大地推動了非視域成(chéng)像技術的實用化發(fā)展。

量子通信研究中發(fā)展的單光子探測技術還(hái)可以極大地提升傳統激光雷達的探測靈敏度、探測距離、分辨率等性能(néng)，即“單光子雷達”。單光子雷達可以實現對(duì)遠距離、高精度軟目标(大氣)和硬目标(物體)的探測，已經(jīng)在對(duì)地測繪、遠程預警、全球态勢感知、大氣污染檢測和預報、航空航天作業等領域發(fā)揮了重要作用。

得益于我國(guó)率先開(kāi)展了廣域量子通信的技術驗證與應用示範，網絡技術已初步滿足實用化要求，核心器件的國(guó)産化和設備的小型化已初步實現，具備了在關鍵部門先行先試的條件。在激烈的國(guó)際競争環境下，當前正是我國(guó)加快推進(jìn)量子保密通信應用，盡早形成(chéng)信息安全非對(duì)稱優勢的最佳時機。通過(guò)10年左右的努力，我國(guó)有望構建完整的廣域量子通信網絡技術體系，爲形成(chéng)未來自主可控的國(guó)家信息安全生态提供重要保障。