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【收藏】打造新一代通信技術 構建量子信息網絡基石:一文帶你洞悉量子通信產業發展簡史

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20 蔡志濠 ? 2022-08-26 13:00:15  來源:前瞻產業研究院 E3500G0

量子通信的起源

了解量子通信的起源,要先從量子隱形傳態和量子密鑰分發開始說起。

量子通信與現有通信技術不同,可以實現量子態信息的傳輸,主要分量子隱形傳態(Quantum Teleportation,簡稱QT)和量子密鑰分發(Quantum Key Distribution,簡稱QKD)兩類。

QT基于通信雙方的光子糾纏對分發(信道建立)、貝爾態測量(信息調制)和幺正變換(信息解調)實現量子態信息直接傳輸,其中量子態信息解調需要借助傳統通信輔助才能完成。

QKD通過對單光子或光場正則分量的量子態制備、傳輸和測量,首先在收發雙方間實現無法被竊聽的安全密鑰共享,之后再與傳統保密通信技術相結合完成經典信息的加解密和安全傳輸。基于QKD的保密通信稱為量子保密通信。

圖表1:量子隱形傳態技術發展

20世紀上半葉:理論基礎奠定

20世紀上半葉,量子力學理論的創立和發展,以及量子疊加、量子糾纏和非定域性等概念的提出和討論為量子通信奠定理論基礎。

20世紀70年代:量子通信概念雛形首次被提出

20世紀70年代早期,當時還是哥倫比亞大學學生的Stephen Wiesner嘗試利用量子物理原理來解決經典物理學無法完成的任務,提出了量子多路復用信道(quantum multiplexing channel)和量子貨幣兩個新的概念,但當時他的想法并沒有得到多少人的認可,直到十年后這個論文才被出版。

20世紀80年代至21世紀初:原理性實驗驗證

1982年,法國物理學家Alain Aspect及其小組成功完成了一項實驗,證實了微觀粒子“量子糾纏”的現象確實存在;1997年奧地利維也納大學的安東·澤林格小組在室內首次完成量子態隱形傳送原理性實驗驗證;2012年報道143公里自由空間最遠距離QT實驗;2015年,日本NTT公司報道了102公里超低損光纖最遠距離QT實驗。

圖表2:量子密鑰分發技術發展

20世紀80年代初:量子通信理論基礎搭建

1980年,IBM的Charles H. Bennett和加拿大蒙特利爾大學的Grilles Brassard擴展了Stephen Wiesner的想法,并試圖將其應用于密碼學領域的密鑰分發問題中,經過數年間斷的討論和擴展,其成果在1984年印度的一次IEEE會議上發表,因而也被稱為BB84協議。

20世紀80年代末至21世紀初:理論和實驗取得較大進展

QKD在這一階段取得了大量理論和實驗的進展。第一個量子密鑰分配實驗是在1989年10月完成的,在空氣中傳輸了32cm。

1995年,中國科學研究院物理所完成了我國首個QKD實驗。2002年,德國和英國研究機構在相距23.4km的兩座山峰之間成功利用激光傳輸光子密鑰,證實了通過近地衛星傳送量子密鑰并建立全球量子密鑰分發網絡的可能性。2003年,韓國、中國、加拿大等國學者提出了誘騙態量子密碼理論方案,解決了真實系統和現有技術條件下量子通信的安全速率隨距離增加而嚴重下降的問題。2004年,美國BNN公司建立了世界首個量子密碼通信網絡,并在馬薩諸塞州劍橋城投入運行。同年,我國郭光燦科研小組在北京與天津之間成功實現125km光纖點對點的量子密鑰分發。2005年,潘建偉科研小組在世界上首次實現13km自由空間的糾纏分發和量子密鑰產生,證實了糾纏光能夠順利通過大氣層。

國外量子通信產業發展進程

量子保密通信是量子信息領域中率先進入實用化的技術方向,也是未來提升信息安全保障能力的可選技術方案之一。近年來,量子保密通信試點應用和項目在全國多國逐步開展。

圖表3:國外量子保密通信試點應用與網絡建設

2013年:意大利量子通信骨干網建設計劃

意大利2013年啟動了總長約1700公里的連接弗雷瑞斯(Frejus)和馬泰拉(Matera)的量子通信骨干網建設計劃,截至2017年已建成連接弗雷瑞斯(Frejus)-都靈(Turin)-弗洛倫薩(Florence)的量子通信骨干線路。

2015年:英國“國家量子技術專項”

英國2015年啟動總額4億英鎊的“國家量子技術專項”,設立量子通信、傳感、成像和計算研發中心,開展學術與應用研究;希望在10年內建成國家量子通信網絡。2021年4月,英國第一個工業量子安全網絡完成測試。

2016年:量子通信測試和試點網絡

韓國計劃分3階段建設國家量子保密通信測試網絡,第一階段環首爾地區的量子保密通信網絡已于2016年3月完成,總長約網絡256公里。目前韓國正在建設基于量子密碼通信技術的800公里國家網絡,將于2022年6月底完工。

俄羅斯2016年8月已經在其韃靼斯坦共和國境內正式啟動了首條多節點量子互聯網絡試點項目。

2017年:小型衛星實現量子通信

日本信息通信研究機構2017年11日宣布首次用超小型衛星成功進行了量子通信實驗,這一研究表明,原本需要大型衛星的量子通信現在也可以用更低成本的小型衛星來實現,預計未來將有更多研究機構和企業投入到量子通信產業中,這有助于太空產業的進一步發展。

2018年:推進量子技術研究

歐盟2018年初啟動總額超過30億英鎊的“量子技術旗艦項目”,計劃2035年左右形成泛歐量子安全互聯網。

德國2018年11月通過第一個系統推進量子技術研究的框架計劃——《量子技術:從基礎到市場》,計劃投入6.5億歐元,為量子技術的發展打下牢固的學術和經濟基礎。

2019年:量子通信基礎設施計劃

2019年6月,七個歐盟成員國(比利時、德國、意大利、盧森堡、馬耳他、荷蘭和西班牙)同意共同探討如何在未來十年開發和部署歐盟范圍內的量子通信基礎設施以提高歐洲在量子技術、網絡安全和產業競爭力方面的能力。

2020年:全球量子加密網絡

日本于2020年開始建立全球量子加密網絡,并大力推動單自旋器件、量子傳感器和量子中繼技術的發展。

2021年:量子通信在多國取得進展

2021年1月19日,美國國家科學與技術委員會(NSTC)發布《量子網絡研究協同路徑》報告。該報告在《美國量子網絡戰略愿景》的基礎上,針對聯邦機構可以共同采取的行動提出了4條技術建議和3條方案建議,便于加強美國在量子網絡利用方面的知識基礎和準備。

2021年4月,英國第一個工業量子安全網絡完成測試。

2021年6月,俄羅斯國營鐵路公司已開通從莫斯科到圣彼得堡之間的首條量子通信干線,全長700公里,是目前歐洲最長的一條。俄羅斯政府預計在10-15年內,俄羅斯量子通信網絡實現商業運營。

2021年7月,荷蘭宣布將建設一個覆蓋全國的量子安全網絡。荷蘭第一大電信公司KPN計劃利用其現有的光纖基礎設施建設一個全荷蘭的量子安全電信網絡。目前,該項目的節點之間的距離為150公里,項目目標是在未來幾個月內升級系統,達到250公里。該項目希望將網絡擴展到比利時、法國和德國,作為建立高度安全的歐洲網絡的第一步。

2021年7月,歐盟委員會計劃推出基于衛星的安全連接系統,該系統將在歐洲各地提供高速寬帶,以提供可靠、安全和具有成本效益的連接服務。

中國量子通信技術研發歷程

圖表4:中國量子通信行業技術研發歷程

2000-2010年:多項實驗獲得成功

2005年,自有空間量子通信實驗成功,證實了星地量子通信可行性;2007年,成功試驗“量子路由器”建立量子密碼通訊網絡;2009年,研制出量子電話樣機,實現“一次一密”的實時網絡通話和3方對講機功能。

2010-2020年:量子通信網絡建設、應用及科研取得進展

量子通信網絡建設方面,2012年,合肥建成首個規模化的城域量子通信網絡,超過此前國際上的同類網絡;2013年,濟南量子通信試驗網投入使用,是我國第一個臣在實際應用為目標的大型量子通信網絡;2014年,京滬干線開始建設,建成后將是全球首個距離最遠的廣域光纖量子保密通信骨干線路;2016年,《長江三角洲發展規劃》提出建成長三角城市群廣域量子通信網絡;2018年11月,量子通信“武合干線”建成貫通,武漢量子通信城域網的啟動標志我國“量子通信京滬干線”項目的首條商業延伸線“武合干線”投入運維,并開始正式接入國家量子骨干網——“京滬干線”,成為量子國家骨干網路向南、向西延伸的重要支撐。

量子加密通信技術應用方面,2015年,工商銀行北京分行電子檔案信息實現了同城加密傳輸,成立“中國量子通信產業聯盟”;2017年7月,中國首個商用量子保密通信專網——濟南市黨政機關量子保密通信專網通過技術驗收。

量子通信科研方面,2019年2月,“廣佛肇量子安全通信時頻網絡建設及關鍵技術研究”項目啟動,意味著粵港澳大灣區量子通信首條示范干線項目正式投入研究。按照相關計劃,大灣區量子通信干線項目基于中國聯通本地光纖鏈路,建設廣佛肇量子安全通信示范網,將覆蓋廣州、佛山和肇慶3個大灣區城市,擬在未來4年內建成,或將覆蓋至深圳及香港。2019年8月,我國科學家在國際上首次成功實現高維度量子體系的隱形傳態,為發展高效量子網絡奠定了堅實的科學基礎。2019年8月,中國學者開發出具有20個超導量子比特的量子芯片,并成功操控其實現全局糾纏,刷新了固態量子器件中生成糾纏態的量子比特數目的世界紀錄。2019年11月,神州信息與北京航空航天大學、清華大學的重點實驗室簽約共建聯合實驗室,圍繞區塊鏈、量子通信、大數據等前沿技術進行創新。2019年12月,由中國科學技術大學、科大國盾量子技術股份有限公司和濟南量子技術研究院共同研制的全球首個可移動量子衛星地面站,在濟南與“墨子號”衛星對接成功,標志著我國在量子領域的科技創新與應用取得了重要突破。

2020年至今:量子通信科研持續取得突破

2020年3月,中國科學技術大學潘建偉院士團隊與清華大學、山東濟南量子技術研究院等機構合作,實現了500公里級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發,傳輸距離達到509公里,創造了新的世界紀錄;我國在基于量子中繼的量子通信網絡技術方面取得重大突破,在國際上首次實現相距50公里光纖的存儲器間的量子糾纏。

2021年1月,中國科學技術大學潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網絡有限公司合作,成功實現了跨越4600公里的星地量子密鑰分發,此舉標志著我國已成功構建出天地一體化廣域量子通信網絡,為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。

2021年6月,中國科學技術大學潘建偉院士團隊在511公里光纖鏈路上實現雙場量子密鑰分發(TF-QKD),并在無可信中繼的情況下連接濟南和青島兩城,成為全球首個無可信中繼的長距離光纖QKD網絡。

2022年1月,中國科學技術大學郭光燦院士團隊實現833公里無中繼光纖量子密鑰分發,刷新世界紀錄。

2022年4月,北京量子信息科學研究院科研副院長、清華大學理學院物理系教授龍桂魯團隊與清華大學電子工程系教授陸建華團隊合作設計了一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子直接通信新系統,成功實現100公里的量子直接通信,這是至今為止世界上最長的量子直接通信距離。

2022年5月,中國科學技術大學潘建偉院士及其同事彭承志、陳宇翱、印娟等利用“墨子號”量子科學實驗衛星,首次實現了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠程傳輸,向構建全球化量子信息處理和量子通信網絡邁出重要一步。

中國量子通信產業化探索歷程

圖表5:中國量子通信行業產業化歷程

2000-2010年:量子保密通信產業化起步

2006年,采用誘騙態量子通信技術,實現國際上量子通信距離首超100km;2009年,國慶60周年閱兵期間關鍵節點使用“量子保密熱線”。

2010-2020年:量子通信實現商用

2015年2月,中國工商銀行試水量子通信金融應用;2015年10月,阿里云棲大會展示了量子計算、人工智能等前沿科技,互聯網邁入量子時代;2016年10月,全球第一條量子通信商用干線“滬杭干線”(浙江段)宣布開通;2017年3月,阿里云正式公布了全球首個云上量子加密通訊案例,網商銀行采用量子技術在專有云上完成了量子加密通訊試點;2017年8月,首個商用量子通信專網——濟南黨政機關量子通信專網完成測試,正式投入使用;2018年11月,我國“量子通信京滬干線”項目的首條商業延伸線“武合干線”投入運維,并開始正式接入國家量子骨干網——“京滬干線”,成為量子國家骨干網路向南、向西延伸的重要支撐。

2020年至今:量子通信應用領域拓寬

2021年1月,中國電信推出行業內首款量子安全通話產品“量子密話”,該產品由中國電信控股的中電信量子科技有限公司開發,利用量子隨機數及量子密鑰分發機制來生成認證密鑰及通話密鑰,其密鑰具有真隨機性,具備高等級安全,以App形式實現,已成功在安徽試商用。

同樣于2021年1月,基于量子保密通信“京滬干線”與“墨子號”量子衛星成功對接構建的天地一體化量子通信網絡覆蓋我國四省三市32個節點,包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網,通過兩個衛星地面站與“墨子號”相連,總距離4600公里,目前已接入金融、電力、政務等行業的150多家用戶。

我國量子通信領域發力較晚,但是憑借政策支持和巨大的資金投入,在量子通信領域成功實現了直道超車,在試點應用數量和網絡建設規模方面全球領先,并且多項建設記錄領跑全球。中國科學技術大學、清華、北大、北郵和上海交大等研究機構的研究成果與國際先進水平基本同步。根據中國信息通信研究院發布的2020-2021年QKD領域重要科研機構名單,中國重要科研機構的數量排在第二位。

圖表6:QKD領域(2020-2021年)重要科研機構(前二十名)地區分布(單位:家)

目前,國內量子通信產業化主要以量子保密通信為主。自2014年京滬干線開啟建設以來,中國量子保密通信建設開始提速,骨干網、城域網、星地一體化網絡建設不斷完善,為量子通信向政務、金融、電力、交通等行業滲透打下基礎。2020年,中國量子通信市場規模為381億元,同比增長17.1%。2021年,中國量子通信整體市場規模達到445億元左右,同比增長16.8%。

圖表7:2017-2021年中國量子通信行業市場規模(單位:億元,%)

我國在量子通信保密試點應用、網絡建設和星地量子通信探索方面處于領先。量子保密通信產業基本形成國科量子、國盾量子、安徽問天和上海循態等公司積極探索和推動應用于產業發展,各地方政府、電網、銀行和互聯網企業等單位開始探索采用量子保密通信進行信息安全保護的格局。我國的QKD網絡建設和示范應用項目的數量和規模已經處于世界領先。

目前我國已經成為全球量子信息技術研究與應用的重要推動者,與美國和歐洲共同成為推動量子信息技術發展與演進的重要力量。

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