量子通信原理及产业链各环节梳理

量子技术实现密钥分发，信息安全的坚固之盾 。

1.量子通信原理：利用量子技术实现密钥分发

传统基于 RSA 算法的密钥分发过程在量子计算时代存在安全风险。当前在通信加密的过程中， 经常采用基于非对称加密的算法如 RSA 实现身份认证和后续的对称加密密钥分发。这一技术 构成了当前数字签名的基础。而在量子计算时代，由于 Shor 算法利用量子傅里叶变换和叠加 态的原理，可以实现对大数质因数分解的指数级加速，从而在密钥分发环节，基于传统 RSA 算法的密钥分发和数字签名技术，在量子计算时代存在较大的安全风险。

量子保密通信应运而生，实现量子形态的密钥分发。量子密钥分发是一种通过量子力学原理 实现加密通信的方法。在量子密钥分发中，发送方利用量子纠缠的特性，向接收方发送一串 随机的单光子，接收方通过测量这些光子的状态，可以得到一串随机数，这就是密钥。由于 量子纠缠的特性，任何试图窃取信息的第三方都会导致量子态的崩溃，因此这个过程是绝对 安全的。接收方利用这个密钥进行加密和解密，从而实现保密通信。目前，量子密钥分发已 经被商业化并在实际应用中发挥了作用，例如金融、政府和军事领域。

BB84 协议保障量子密钥分发过程，目前成为业界共识。BB84 协议是一种量子密钥分发协议， 由 Charles H. Bennett 和 Gilles Brassard 在 1984 年提出,是目前被广泛应用于量子密码学领域的 一种协议。简要来说，BB84 协议操作过程中同时利用了量子信道和经典信道： 在量子信道部分：1）Alice 发送随机的量子比特串给 Bob。Alice 随机选择四种偏振片，制备 不同偏振状态的光量子，得到足够多的随机量子比特并将其发送给 Bob；2）Bob 随机选择测 量基测量量子比特。由于 Bob 并不知道光量子是由发送端那一种测量基编码的，所以他也只 能随机选择测量基来进行测量。当选择正确的测量基时，测量的结果正确。当使用错误的测 量结果时，测量结果错误。

在经典信道部分：3）Bob 将使用的测量基发送给 Alice；4）Alice 将接收的测量基与使用的测 量基进行比较，并通过信息告诉 Bob 哪些位置的测量基是正确的；5）Bob 根据 Alice 的消息 剔除错误的量子比特，并将选择少部分正确的测量结果告诉 Alice；6）Alice 确认 Bob 测量结 果的正确性。若错误，则说明存在量子信道可能存在窃听，停止通信或者返回第 1）步（由 于实际的量子信道中也存在噪声，因此会根据一个错误率阈值判断是否窃听和停止通信）。 若正确，剔除部分的量子比特，剩下的二进制串作为最终的密钥。并发送确认信息给 Bob。7） Bob 收到确认信息。同样剔除部分的量子比特，剩下的二进制串作为最终的密钥。

如果 Eve 在量子信道中旁路窃听，由于量子不可克隆，因此 Eve 无法复制出一份相同的量子 比特副本；如果他在量子信道中直接测量光量子，由于 Eve 不知正确的测量基，他也会随机 选择，有 50%的概率选择正确，50%的概率选择错误。若选择的测量基错误，测量结果错误， 同时光量子的偏振态发生改变。当协议的步骤由 2）执行到 6）时，Alice 将发现到量子信道 的窃听，那么她将终止这一过程。 如果在经典信道进行窃听，实际上也是无效的。即使 Eve 知道了测量基信息，然而 由于量子不可克隆，无法得到正确的量子比特串副本。由以上分析可知，BB84 协议基于量子 不可克隆等原理，实现安全的密钥分配过程。

量子保密通信从理论探索转向实际应用，逐渐进入产业化成熟期。自 1984 年 BB84 协议的提 出为量子密钥分发奠定了理论基础以来，量子通信领域经历了多个重要的发展节点。从 1989 年首个量子密钥分发实验的成功，到 2016 年中国“墨子号”量子科学实验卫星的发射，再到 京沪干线的建成，每一步都标志着量子通信技术的进步和实用化。特别是 2021 年构建的超 4600 公里的量子通信网络，不仅展示了量子通信技术的巨大潜力，也为未来全球广域量子通 信网络的形成奠定了基础。这些发展不仅彰显了量子通信技术的科学价值，也突显了中国在 这一领域的领先地位。随着技术的不断进步，量子通信有望在全球范围内实现更广泛的应用， 为通信安全提供强有力的保障。

2.量子通信产业链：QKD 是核心设备，关基行业率先落地

量子通信产业上游：芯片+光源+单光子探测器+量子随机数发生器，多种核心器件构筑产业 上游。量子通信的核心器件与材料的涵盖囊括了关键的技术组成部分。首要的是先进的量子 芯片技术，作为整个产业链的基础，包括数据处理类芯片、电学芯片和光学芯片。光源则成 为量子通信不可或缺的关键组件，作为载体，经过对其量子状态的调制操作后，可携带量子 信息在不同通信节点间中进行信息传输和共享。在通信接收端，单光子探测器发挥着至关重 要的作用，确保对量子信息的精准检测。量子随机数发生器是保障通信不可预测性的关键工 具。此外，其他核心器件如 PPLN（周期极化铌酸锂）晶体、PPLN（周期极化铌酸锂）波导、 光纤光缆等元件同样在上游产业链中发挥着关键作用。这些核心器件和材料为量子通信与安 全产业链的上游提供了创新动力，为实现更安全、更高效的量子通信系统奠定了坚实基础。

量子通信产业中游：核心设备+网络建设集成+保密网络运营，共同构筑产业链中游。核心设 备涉及到关键的量子通信设备，如 QKD 设备、组网设备和网络管理软件平台，这些设备确 保信息的安全传输。网络建设集成用于构建高效、安全的量子通信网络，例如中国的国家骨 干网、省骨干网以及城域网。保密网络运营则包括各运营商参与其中，推动量子通信技术的 日常运行与维护。整个中游通过设备、网络建设和运营的协同作用，为量子通信与安全的发 展提供支撑，为实现更安全、高效的通信提供了关键保障。

量子通信产业中游：量子通信厂商+运营商+运维商，三大玩家参与市场竞争。中游的参与者 有国盾量子、国科量子等量子通信公司，因为目前有能力承担量子通信网络建设的公司数量 还较少，有很多公司在成立之时便获得了更多的机会，未来业务可以能会细分或剥离，但也 可能成为大型、全面的公司。此外，参与者还有移动、联通和电信三大网络运营商以及神州 信息、中国有线和中国卫星通信集团等传统运维商，以及亨通光电和中信国安等建设运维商 等。

量子通信产业主要产品和设备：量子保密通信产业主要由量子光源、单光子探测器、量子密 钥分发设备、量子安全路由器、量子交换机、量子随机数发生器、量子卫星地面站、移动加 密产品等收发设备构成。 量子光源：在量子通信中，量子信号起着重要作用，而量子信号的编码、传输和检测等技术 都依赖于信号的量子特性，因此，量子通信技术的实现必须获得稳定可靠的量子光源。量子 光源主要分为：单光子光源、连续变量光源和纠缠态光源。其中，连续变量光源又分为相干 态光源和压缩态光源；纠缠态光源又分为光子对纠缠和多光子纠缠。

单光子探测器：单光子探测器是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小 能量量子光子。单光子探测器可以对单个光子进行探测和计数，在许多可获得的信号强度仅 为几个光子能量级的新兴应用中，单光子探测器发挥重要作用。在生物光子学、医学影像、 非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等领域有广 泛应用。

QKD 设备：量子密钥分发（QKD）是量子保密通信的核心产品。负责量子密钥的产生和分 发。QKD 设备的研制门槛较高，全球仅少数研发团队能够提供，例如国盾量子、问天量子、 启科量子、IDQ 等。

量子安全路由器：量子安全路由器作为量子保密通信解决方案中的核心应用设备，将量子密 钥与经典网络设备融合，同时实现了经典通信的加密和路由交换功能，为用户搭建端到端电 信级稳定、高速的量子加密应用网络。

量子交换机：光量子交换机设备用于实现量子信道时分复用，是量子密钥分发网络组网的重 要产品。光量子交换机系列产品包括两种不同类型的光量子交换设备，矩阵型光量子交换机 和全通型光量子交换机。矩阵型光量子交换机采用交叉式光纤链路交换，该类型的光量子交 换机多用于量子密钥中继内部，实现密钥分发终端的扩容与备份；全通型光量子交换机支持 多通道光纤链路连接，每个通道与其他通道间均可实现互连，适用于多用户量子保密通信局 域网或城域网络。

量子计算机发生器：随机数是影响通信安全和通信系统可靠性至关重要的因素。随机数是由 随机数发生器产生的，随机数发生器可以分为三类：伪随机数发生器、基于经典物理和物理 随机数发生器和基于量子物理的量子随机数发生器。与前两类相比，量子随机数具有真正的 不可预测性。目前主要量子通信公司几乎都在开发量子随机数发生器。

量子卫星地面站：在星地量子密钥分发中，地面站起到了接收卫星数据的作用。随着技术快 速进步，量子卫星地面站已经实现了可移动和小型化。该小型化量子卫星地面站是国盾量子 与中国科学技术大学合作研发的具有完全知识产权的卫星 QKD 地面站产品。该系列产品基 于卫星平台自由空间量子通信技术，在原墨子号地面站光机系统的经验基础上设计改造，将 原有地面站光机系统的大、重、不可移动，需远离城市背景光，转变为现在的口径小、重量 轻、体积小，可快速移动部署，适应城市背景光，能够实现精确捕获跟瞄量子卫星，实现量 子信号高效耦合。

移动加密应用产品：随着量子技术的不断发展，相关量子通信产品已经逐渐走向普惠消费者， 特别是移动加密应用产品，包括量子安全服务移动平台、量子安全 U 盾、量子安全加密卡产 品、量子密钥充注机、量子安全手机等。

量子通信产业竞争格局：参与厂商较为多元，共同推进量子产业发展。量子保密通信产业链 的主要市场玩家呈现出多元化的竞争格局。随着技术的不断发展和市场的逐步成熟，各方将 在技术创新、产品研发、应用推广等方面持续展开竞争和合作，共同推动量子保密通信产业 的发展。 核心器件方面，国盾量子、问天量子等国内企业具有较为明显的优势，已成功研发出多种量 子保密通信核心器件，并在国内外市场占据一定份额。此外，欧美企业如 ID Quantique、 Quantum Xchange 等也在核心器件领域具有较强的竞争力。 系统集成方面，中国电信、中国移动、中国联通等国内大型通信企业，以及华为、中兴等通 信设备制造商，在量子保密通信系统集成方面具有较强实力。这些企业具备丰富的网络建设 经验和客户资源，有助于推动量子保密通信技术在实际应用中的落地。

网络建设方面，量子保密通信网络建设主要依赖于国家政策支持和资金投入。在中国，量子 保密通信城域网、广域网的建设已取得显著成果，如“京沪干线”、“墨子号”量子科学实验 卫星等。此外，欧美国家如美国、瑞士、奥地利等也在积极推动量子保密通信网络的建设。 应用服务方面，量子保密通信在金融、军事、政务等领域的应用前景广阔。目前，中国银联、 国家电网、军事通信等领域的企事业单位已开始尝试应用量子保密通信技术。同时，欧美国 家的一些企业如 BBVA、RWE 等也在探索量子保密通信技术在金融、能源等领域的应用。

量子通信产业下游应用广泛，多领域均有进展。在国防领域，量子通信技术应用于高度机密 的军事通信，确保敏感信息的安全传输，有效防范窃听和网络攻击。在金融领域，金融行业 通过量子通信技术实现更安全可靠的数据传输，提高对金融交易和客户信息的保护水平。在 电网领域，量子通信可应用于保障电力系统中实时数据的安全传输，预防网络攻击和数据篡 改，确保电网运行的稳定性。