量子通信定义、分类、发展现状及产业链梳理

随着 POC 标准初具雏形，欧美在 POC 产业化方面也加快推进抢占先机。

量子通信是利用物理实体粒子（如光子、原子、分子、离子）的某个物理量的量子 态作为信息编码的载体，通过量子信道将该量子态进行传输到达传递信息目的，是量子 信息科学的重要研究分支。其核心在于以量子态来编码信息并传输，其通信过程服从量 子不确定性原理、量子相干叠加和量子非定域性等量子力学的基本物理原理。 量子通信主要包括量子密钥分发、量子隐形传态和量子保密通信网络三种技术。 量子密钥分发（QKD）应用了量子力学的基本特性，确保任何企图窃取传送中的密 钥都会被合法用户所发现。窃听者如果要窃听量子密码，必须进行相应的测量，而根据 不确定性原理和量子不可克隆性，一旦测量必定会对量子系统造成影响，从而改变量子 系统的状态。

利用量子纠缠态的量子通讯就是“量子隐形传态”(quantumteleportation)。“量子 密钥分发”只是利用量子的不可克隆性，对信息进行加密，属于解决密钥问题。而“量 子隐形传态”是利用量子的纠缠态，来传输量子比特。 量子隐形传态的原理。量子隐形传态方式的载体是单个粒子，如单个光子或单个电 子，利用其内在的微观的行为特征，如粒子的自施方向，利用量子纠缠效应让量子通信 传输的不再是传统信息，而是量子态携带的量子信息。举例来说，两个处于纠缠态的粒 子 A 和 B，无论相隔多远，只要把其中一个粒子（A）和携带想要传输的量子比特的粒 子（C）一起测量，C 的量子比特马上消失，但是相隔遥远的粒子（B）却立刻携带上了 C 之前携带的量子比特。这就是在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态不需要任何载体 的携带，在一个地方神秘地消失，又在另一个地方神秘地出现。

量子保密通信网络核心设备包括 QKD 产品、信道与密钥组网交换产品等。目前能 够实现的量子保密通信网络，包括局域网、城域网和骨干网。 局域网实现一个单位或一处地点内多个终端的接入，对距离要求不高；城域网负责 城市范围内不同区域的连接，上联骨干网，下联局域网；而骨干网实现跨省、跨城的连 接（包括地面光纤和卫星-地面站两种实现方式），现阶段以地面光纤为主，对距离要求 高。 量子城域网是一种可覆盖整个城市的量子密钥分发网络。在与传统通信网络相结合 后，能实现基于量子安全技术的高等级安全通信服务，为涉及国计民生的政务、金融、 电力等重要信息提供保障。2022 年 8 月，安徽合肥开通了当时全国最大、覆盖最广、应 用最多的量子城域网——合肥量子城域网，包含 8 个核心网站点和 159 个接入网站点， 光纤全长 1147 公里。

在量子广域网方面，2021 年 1 月，中国科学技术大学宣布中国科研团队成功实现了 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。 抗量子密码（PQC），也称后量子密码，是能够抵抗量子计算对公钥密码算法攻击 的新一代密码算法，旨在研究密码算法在量子环境下的安全性，并设计在经典和量子环 境下均具有安全性的密码系统。其基于数学原理，以软件和算法为主，依赖计算复杂度， 易于实现标准化、集成化、芯片化、小型化和低成本，能够提供完整的加密、身份认证 和数字签名等解决方案。PQC 的出现，可有效地防止攻击者窃取和破解加密信息，为网 络信息安全提供保障。 Shor 算法的出现，意味着 RSA 加密在理论上已经不再安全。1994 年，美国科学 家 Peter Shor 提出了著名的 Shor 算法，在理论上展示了一个足够强大的量子计算机能 将质因数分解的时间复杂性降到多项式时间内。随着量子计算软硬件技术飞速发展，现代密码体系的崩溃也不再是理论上的风险。以 RSA-2048 算法为例，Shor 算法破解效 率大约是经典算法的 10(43) 倍。2021 年，业内分别预估了 Shor 算法破解 RSA2048、 ECDSA 的成本，大约需要 2000 万量子比特，耗时几小时内。

量子通信领域的量子密钥分发(OKD)技术初步实用化，多种协议类型的 OKD 系统 在国内外已经实现商用，但商用 OKD 系统的性能仍有明显瓶颈，例如，单跨段现网光 纤传输距离通常在数十 km 范围，密钥成码率通常为数 kbps 至数十 kbps 量级。进一步 提升 OKD 系统的传输距离和密钥成码率，对于远距离传输、组网和高带宽加密业务应 用等具有重要意义，也是提升 OKD 技术实用化水平，破解应用推广与产业发展困境的 必由之路。 量子信息网络目前主要处于基础研究与实验探索阶段，关键技术与使能组件仍有技 术瓶颈尚未突破，实用化前景尚不明确，但其实现量子计算机互联组网，指数级提升量 子信息处理能力的应用潜力较大。已成为欧美国家布局的重点发展方向之一。近年来， 欧美研究机构和行业组织等，通过合作项目、组网实验和平台建设等多种方式，加快推 动技术试验与测试验证。

陆地部分：QKD 基础设施网络建设。 美国：纽约大学量子信息物理学中心（CQIP）和量子安全网络技术公司 Qunnect 合 作，使用 Qunnect 的量子安全网络技术，通过纽约市的标准电信光纤发送量子信息，成 功测试了布鲁克林海军造船厂和纽约大学曼哈顿校区之间 10 英里（16 公里）量子网络 链路。在 10 英里的光纤中，Qunnect 和 CQIP 实现了以每秒 15000 对的速度传输高度纠 缠的量子比特通过光缆，测试过程中链路正常运行时间达到 99%。此次实验打开了纽约 都市区的金融服务、关键基础设施和电信公司试点量子网络技术的大门。 中国：由国科量子建设和运营的长三角区域量子保密通信骨干网建设成果于 2023 年 6 月在第五届长三角一体化发展高层论坛上正式发布。长三角量子网络线路总里程约 2860 公里，形成了以合肥、上海为核心节点，链接南京、杭州、无锡、金华、芜湖等城 市的环网，通过量子业务运营支撑系统及量子卫星调度系统，为星地一体量子保密通信 网络提供全方位保障。

太空部分：卫星通信建设。 美国：QuSecure 推出首个具有量子弹性的实时端到端卫星加密通信链路，这一里程 碑标志着美国卫星数据传输首次采用 PQC 来抵御经典和量子解密攻击，以保护卫星数 据通信的安全性。QuSecure 的量子弹性加密通信链路可以使任何联邦政府和商业组织都 能够通过太空进行实时、安全、经典和量子安全的通信和数据传输。在星链网络上的安 全卫星通信测试中，QuSecure 成功地将量子弹性数据从 Quark 服务器通过科罗拉多州 Rearden Logic 的实验室发送到星链终端。然后通过上行链路将信号发送到 Starlink 卫星，再通过下行链路传回地球。所有这些通信均受到 QuSecure 的量子安全层（Quantum Secure Layer, QSL）的保护，通过 PQC 网络安全保护传输中的所有数据。 美国纳米卫星服务提供商 Sky and Space（SAS）宣布与 CyberProtonics 建立合作伙 伴关系。CyberProtonics 将为 SAS 公司的纳米卫星和地面终端机群嵌入 PQC 技术，为 2024 年初的发射做准备。这一合作将确保卫星通信的安全性，为未来的卫星网络提供了 更强的数据保护。

中国：中国科学院科学家、第十四届全国政协委员潘建伟在接受媒体采访时表示： “我们正在与国家航天科学中心合作研制一颗中高地球轨道卫星。未来，高轨卫星与近 地轨道卫星相结合，将构建广域量子通信网络。将有 3-5 颗专注于 QKD 的小卫星，产 生纠缠粒子用作量子密钥，且质量在 100 公斤以下。低地球轨道卫星将提供城市之间的 联系，而更高轨道的卫星将允许创建一个全球性、全天的量子通信网络。该网络将使用 量子力学的元素来加密和安全传输信息。中国还一直在为该网络建设地面站，目前，已 经实现了“墨子号”卫星与北京、济南、威海、丽江和漠河等城市之间的量子通信演示。 POC 技术产业发展具有鲜明的方案竞争和标准先行特性，美国是 POC 算法标准 制定的引领者，欧美科技巨头和密码学界是重要贡献者。

随着 POC 标准初具雏形，欧美在 POC 产业化方面也加快推进抢占先机。2022 年 5 月，拜登政府发布行政令 16,提出在 2035 年前，由国家安全局(NSA )和 NIST 负责及 时完成美国国家信息系统的 POC 升级迁移，为应用推广扣响了“发令枪”。2023 年 1 月， 互联网工程任务组(IETF)成立后量子应用协议工作组(POUIP)，开始从加密技术标准和 网络协议升级等方面开展研究与推动。10 月，POUIP 发布《面向工程师的后量子密码》 报告!17，分析 POC 标准算法特性、过渡时间表、算法替换升级方案等具体技术问题。 7 月，NIST 联合国家网络安全卓越中心(NCCoE)发起“向 POC 迁移”计划 118，提出 升级项目工作流程，推荐 28 家 POC 技术产品供应商，包含 IBM、亚马逊、思科等科 技巨头和 SandboxAO、POShield 等初创企业。 POC 算法标准的推出，拉开了全球 POC 技术产业化序幕。我国需加快 POC 相 关算法研究、评估和标准化进程,推动技术产品研发、应用部署推广和培育领军企业，在 技术产业竞争中占据一席之地，掌握自主的量子时代信息安全保障能力。

中国量子通信产业链上游为元器件及核心设备，包括信号处理芯片、光纤光缆、雪 崩二极管、射频器件、量子密钥分发器、量子路由器、量子交换机、量子随机发生器等。 中游为网络传输线路及系统平台，包括光纤骨干网、卫星中继、经典网络管理子系 统、备份与容灾子系统、综台网络监控子系统、星子密钥分发子系统、量子网络管理子 系统等。下游消费市场，应用于军事国防、电子政务、电子商务、能源电力、电子医疗、电 信运营等领域。