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        【收藏】打造新一代通信技术 构建量子信息网络基石:一文带你洞悉量子通信产业发展简史

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        20 蔡志濠 ? 2022-08-26 13:00:15  来源:前瞻产业研究院 E2823G0

        量子通信的起源

        了解量子通信的起源,要先从量子隐形传态和量子密钥分发开始说起。

        量子通信与现有通信技术不同,可以实现量子态信息的传输,主要分量子隐形传态(Quantum Teleportation,简称QT)和量子密钥分发(Quantum Key Distribution,简称QKD)两类。

        QT基于通信双方的光子纠缠对分发(信道建立)、贝尔态测量(信息调制)和幺正变换(信息解调)实现量子态信息直接传输,其中量子态信息解调需要借助传统通信辅助才能完成。

        QKD通过对单光子或光场正则分量的量子态制备、传输和测量,首先在收发双方间实现无法被窃听的安全密钥共享,之后再与传统保密通信技术相结合完成经典信息的加解密和安全传输。基于QKD的保密通信称为量子保密通信。

        图表1:量子隐形传态技术发展

        20世纪上半叶:理论基础奠定

        20世纪上半叶,量子力学理论的创立和发展,以及量子叠加、量子纠缠和非定域性等概念的提出和讨论为量子通信奠定理论基础。

        20世纪70年代:量子通信概念雏形首次被提出

        20世纪70年代早期,当时还是哥伦比亚大学学生的Stephen Wiesner尝试利用量子物理原理来解决经典物理学无法完成的任务,提出了量子多路复用信道(quantum multiplexing channel)和量子货币两个新的概念,但当时他的想法并没有得到多少人的认可,直到十年后这个论文才被出版。

        20世纪80年代至21世纪初:原理性实验验证

        1982年,法国物理学家Alain Aspect及其小组成功完成了一项实验,证实了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在;1997年奥地利维也纳大学的安东·泽林格小组在室内首次完成量子态隐形传送原理性实验验证;2012年报道143公里自由空间最远距离QT实验;2015年,日本NTT公司报道了102公里超低损光纤最远距离QT实验。

        图表2:量子密钥分发技术发展

        20世纪80年代初:量子通信理论基础搭建

        1980年,IBM的Charles H. Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Grilles Brassard扩展了Stephen Wiesner的想法,并试图将其应用于密码学领域的密钥分发问题中,经过数年间断的讨论和扩展,其成果在1984年印度的一次IEEE会议上发表,因而也被称为BB84协议。

        20世纪80年代末至21世纪初:理论和实验取得较大进展

        QKD在这一阶段取得了大量理论和实验的进展。第一个量子密钥分配实验是在1989年10月完成的,在空气中传输了32cm。

        1995年,中国科学研究院物理所完成了我国首个QKD实验。2002年,德国和英国研究机构在相距23.4km的两座山峰之间成功利用激光传输光子密钥,证实了通过近地卫星传送量子密钥并建立全球量子密钥分发网络的可能性。2003年,韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案,解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。2004年,美国BNN公司建立了世界首个量子密码通信网络,并在马萨诸塞州剑桥城投入运行。同年,我国郭光灿科研小组在北京与天津之间成功实现125km光纤点对点的量子密钥分发。2005年,潘建伟科研小组在世界上首次实现13km自由空间的纠缠分发和量子密钥产生,证实了纠缠光能够顺利通过大气层。

        国外量子通信产业发展进程

        量子保密通信是量子信息领域中率先进入实用化的技术方向,也是未来提升信息安全保障能力的可选技术方案之一。近年来,量子保密通信试点应用和项目在全国多国逐步开展。

        图表3:国外量子保密通信试点应用与网络建设

        2013年:意大利量子通信骨干网建设计划

        意大利2013年启动了总长约1700公里的连接弗雷瑞斯(Frejus)和马泰拉(Matera)的量子通信骨干网建设计划,截至2017年已建成连接弗雷瑞斯(Frejus)-都灵(Turin)-弗洛伦萨(Florence)的量子通信骨干线路。

        2015年:英国“国家量子技术专项”

        英国2015年启动总额4亿英镑的“国家量子技术专项”,设立量子通信、传感、成像和计算研发中心,开展学术与应用研究;希望在10年内建成国家量子通信网络。2021年4月,英国第一个工业量子安全网络完成测试。

        2016年:量子通信测试和试点网络

        韩国计划分3阶段建设国家量子保密通信测试网络,第一阶段环首尔地区的量子保密通信网络已于2016年3月完成,总长约网络256公里。目前韩国正在建设基于量子密码通信技术的800公里国家网络,将于2022年6月底完工。

        俄罗斯2016年8月已经在其鞑靼斯坦共和国境内正式启动了首条多节点量子互联网络试点项目。

        2017年:小型卫星实现量子通信

        日本信息通信研究机构2017年11日宣布首次用超小型卫星成功进行了量子通信实验,这一研究表明,原本需要大型卫星的量子通信现在也可以用更低成本的小型卫星来实现,预计未来将有更多研究机构和企业投入到量子通信产业中,这有助于太空产业的进一步发展。

        2018年:推进量子技术研究

        欧盟2018年初启动总额超过30亿英镑的“量子技术旗舰项目”,计划2035年左右形成泛欧量子安全互联网。

        德国2018年11月通过第一个系统推进量子技术研究的框架计划——《量子技术:从基础到市场》,计划投入6.5亿欧元,为量子技术的发展打下牢固的学术和经济基础。

        2019年:量子通信基础设施计划

        2019年6月,七个欧盟成员国(比利时、德国、意大利、卢森堡、马耳他、荷兰和西班牙)同意共同探讨如何在未来十年开发和部署欧盟范围内的量子通信基础设施以提高欧洲在量子技术、网络安全和产业竞争力方面的能力。

        2020年:全球量子加密网络

        日本于2020年开始建立全球量子加密网络,并大力推动单自旋器件、量子传感器和量子中继技术的发展。

        2021年:量子通信在多国取得进展

        2021年1月19日,美国国家科学与技术委员会(NSTC)发布《量子网络研究协同路径》报告。该报告在《美国量子网络战略愿景》的基础上,针对联邦机构可以共同采取的行动提出了4条技术建议和3条方案建议,便于加强美国在量子网络利用方面的知识基础和准备。

        2021年4月,英国第一个工业量子安全网络完成测试。

        2021年6月,俄罗斯国营铁路公司已开通从莫斯科到圣彼得堡之间的首条量子通信干线,全长700公里,是目前欧洲最长的一条。俄罗斯政府预计在10-15年内,俄罗斯量子通信网络实现商业运营。

        2021年7月,荷兰宣布将建设一个覆盖全国的量子安全网络。荷兰第一大电信公司KPN计划利用其现有的光纤基础设施建设一个全荷兰的量子安全电信网络。目前,该项目的节点之间的距离为150公里,项目目标是在未来几个月内升级系统,达到250公里。该项目希望将网络扩展到比利时、法国和德国,作为建立高度安全的欧洲网络的第一步。

        2021年7月,欧盟委员会计划推出基于卫星的安全连接系统,该系统将在欧洲各地提供高速宽带,以提供可靠、安全和具有成本效益的连接服务。

        中国量子通信技术研发历程

        图表4:中国量子通信行业技术研发历程

        2000-2010年:多项实验获得成功

        2005年,自有空间量子通信实验成功,证实了星地量子通信可行性;2007年,成功试验“量子路由器”建立量子密码通讯网络;2009年,研制出量子电话样机,实现“一次一密”的实时网络通话和3方对讲机功能。

        2010-2020年:量子通信网络建设、应用及科研取得进展

        量子通信网络建设方面,2012年,合肥建成首个规模化的城域量子通信网络,超过此前国际上的同类网络;2013年,济南量子通信试验网投入使用,是我国第一个臣在实际应用为目标的大型量子通信网络;2014年,京沪干线开始建设,建成后将是全球首个距离最远的广域光纤量子保密通信骨干线路;2016年,《长江三角洲发展规划》提出建成长三角城市群广域量子通信网络;2018年11月,量子通信“武合干线”建成贯通,武汉量子通信城域网的启动标志我国“量子通信京沪干线”项目的首条商业延伸线“武合干线”投入运维,并开始正式接入国家量子骨干网——“京沪干线”,成为量子国家骨干网路向南、向西延伸的重要支撑。

        量子加密通信技术应用方面,2015年,工商银行北京分行电子档案信息实现了同城加密传输,成立“中国量子通信产业联盟”;2017年7月,中国首个商用量子保密通信专网——济南市党政机关量子保密通信专网通过技术验收。

        量子通信科研方面,2019年2月,“广佛肇量子安全通信时频网络建设及关键技术研究”项目启动,意味着粤港澳大湾区量子通信首条示范干线项目正式投入研究。按照相关计划,大湾区量子通信干线项目基于中国联通本地光纤链路,建设广佛肇量子安全通信示范网,将覆盖广州、佛山和肇庆3个大湾区城市,拟在未来4年内建成,或将覆盖至深圳及香港。2019年8月,我国科学家在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态,为发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。2019年8月,中国学者开发出具有20个超导量子比特的量子芯片,并成功操控其实现全局纠缠,刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。2019年11月,神州信息与北京航空航天大学、清华大学的重点实验室签约共建联合实验室,围绕区块链、量子通信、大数据等前沿技术进行创新。2019年12月,由中国科学技术大学、科大国盾量子技术股份有限公司和济南量子技术研究院共同研制的全球首个可移动量子卫星地面站,在济南与“墨子号”卫星对接成功,标志着我国在量子领域的科技创新与应用取得了重要突破。

        2020年至今:量子通信科研持续取得突破

        2020年3月,中国科学技术大学潘建伟院士团队与清华大学、山东济南量子技术研究院等机构合作,实现了500公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发,传输距离达到509公里,创造了新的世界纪录;我国在基于量子中继的量子通信网络技术方面取得重大突破,在国际上首次实现相距50公里光纤的存储器间的量子纠缠。

        2021年1月,中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作,成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发,此举标志着我国已成功构建出天地一体化广域量子通信网络,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。

        2021年6月,中国科学技术大学潘建伟院士团队在511公里光纤链路上实现双场量子密钥分发(TF-QKD),并在无可信中继的情况下连接济南和青岛两城,成为全球首个无可信中继的长距离光纤QKD网络。

        2022年1月,中国科学技术大学郭光灿院士团队实现833公里无中继光纤量子密钥分发,刷新世界纪录。

        2022年4月,北京量子信息科学研究院科研副院长、清华大学理学院物理系教授龙桂鲁团队与清华大学电子工程系教授陆建华团队合作设计了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统,成功实现100公里的量子直接通信,这是至今为止世界上最长的量子直接通信距离。

        2022年5月,中国科学技术大学潘建伟院士及其同事彭承志、陈宇翱、印娟等利用“墨子号”量子科学实验卫星,首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输,向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。

        中国量子通信产业化探索历程

        图表5:中国量子通信行业产业化历程

        2000-2010年:量子保密通信产业化起步

        2006年,采用诱骗态量子通信技术,实现国际上量子通信距离首超100km;2009年,国庆60周年阅兵期间关键节点使用“量子保密热线”。

        2010-2020年:量子通信实现商用

        2015年2月,中国工商银行试水量子通信金融应用;2015年10月,阿里云栖大会展示了量子计算、人工智能等前沿科技,互联网迈入量子时代;2016年10月,全球第一条量子通信商用干线“沪杭干线”(浙江段)宣布开通;2017年3月,阿里云正式公布了全球首个云上量子加密通讯案例,网商银行采用量子技术在专有云上完成了量子加密通讯试点;2017年8月,首个商用量子通信专网——济南党政机关量子通信专网完成测试,正式投入使用;2018年11月,我国“量子通信京沪干线”项目的首条商业延伸线“武合干线”投入运维,并开始正式接入国家量子骨干网——“京沪干线”,成为量子国家骨干网路向南、向西延伸的重要支撑。

        2020年至今:量子通信应用领域拓宽

        2021年1月,中国电信推出行业内首款量子安全通话产品“量子密话”,该产品由中国电信控股的中电信量子科技有限公司开发,利用量子随机数及量子密钥分发机制来生成认证密钥及通话密钥,其密钥具有真随机性,具备高等级安全,以App形式实现,已成功在安徽试商用。

        同样于2021年1月,基于量子保密通信“京沪干线”与“墨子号”量子卫星成功对接构建的天地一体化量子通信网络覆盖我国四省三市32个节点,包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网,通过两个卫星地面站与“墨子号”相连,总距离4600公里,目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

        我国量子通信领域发力较晚,但是凭借政策支持和巨大的资金投入,在量子通信领域成功实现了直道超车,在试点应用数量和网络建设规模方面全球领先,并且多项建设记录领跑全球。中国科学技术大学、清华、北大、北邮和上海交大等研究机构的研究成果与国际先进水平基本同步。根据中国信息通信研究院发布的2020-2021年QKD领域重要科研机构名单,中国重要科研机构的数量排在第二位。

        图表6:QKD领域(2020-2021年)重要科研机构(前二十名)地区分布(单位:家)

        目前,国内量子通信产业化主要以量子保密通信为主。自2014年京沪干线开启建设以来,中国量子保密通信建设开始提速,骨干网、城域网、星地一体化网络建设不断完善,为量子通信向政务、金融、电力、交通等行业渗透打下基础。2020年,中国量子通信市场规模为381亿元,同比增长17.1%。2021年,中国量子通信整体市场规模达到445亿元左右,同比增长16.8%。

        图表7:2017-2021年中国量子通信行业市场规模(单位:亿元,%)

        我国在量子通信保密试点应用、网络建设和星地量子通信探索方面处于领先。量子保密通信产业基本形成国科量子、国盾量子、安徽问天和上海循态等公司积极探索和推动应用于产业发展,各地方政府、电网、银行和互联网企业等单位开始探索采用量子保密通信进行信息安全保护的格局。我国的QKD网络建设和示范应用项目的数量和规模已经处于世界领先。

        目前我国已经成为全球量子信息技术研究与应用的重要推动者,与美国和欧洲共同成为推动量子信息技术发展与演进的重要力量。

        更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国量子通信行业市场前瞻与投资策略分析报告》,同时前瞻产业研究院还提供产业大数据、产业研究、政策研究、产业链咨询、产业图谱、产业规划、园区规划、产业招商引资、IPO募投可研、IPO业务与技术撰写、IPO工作底稿咨询等解决方案。

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        作者 蔡志濠
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