潘建偉院士：量子通信，未來自主可控信息安全生態的重要保障

作者：徐飛虎、彭承志、潘建偉

信息安全是事關國計民生的重大戰略領域。傳統的信息安全通過依賴於計算複雜度的加密算法來實現，然而隨着計算能力的飛速發展，依賴於計算複雜度的傳統加密算法面臨着日益加劇的安全風險。

基於量子密鑰分發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。量子密鑰分發是指利用量子態來加載信息，通過一定的協議產生密鑰。量子力學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於物理學基本原理，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對其安全性形成威脅。

量子保密通信是最先走向實用化和產業化的量子信息技術。通過量子密鑰分發所生成的安全密鑰，除了原理上無條件安全的“一次一密”加密方式外，還可以與經典對稱加密算法相結合，兼顧安全性與通信速率。例如，按照現有技術水平，量子密鑰分發與AES（高級加密標準）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。

廣域量子通信的發展路線

量子通信的發展目標是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡，進而通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接，最終通過衛星平臺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展路線。

在城域量子通信網絡方面，中國科學技術大學先後建成國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，並在這一過程中將相關技術發展成熟，自主研製的量子保密通信裝備已經爲很多重要活動提供了信息安全保障。

在基於可信中繼的城際量子通信網絡方面，國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨幹網“京滬幹線”，於2016年底全線貫通。幹線全長2000餘公里，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，國家發展改革委於2018年2月批覆了“國家廣域量子保密通信骨幹網絡”項目，將覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區域，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，在中國科學院的支持下，中國科學技術大學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，研製成功世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。“墨子號”於2016年8月發射升空，在國際上率先實現了星地量子通信，首次實現了距離達7600公里的洲際量子通信，充分驗證了基於衛星平臺實現全球化量子通信的可行性。利用“墨子號”積累的成功經驗，量子衛星的研製成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發射升空，爲構建低成本的星羣奠定基礎。地面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“墨子號”量子衛星與“京滬幹線”，我國率先構建了天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形，成爲近年來國際量子信息研究的一大標誌性事件。

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習，習近平總書記主持學習並指出，“統籌基礎研究、前沿技術、工程技術研發，培育量子通信等戰略性新興產業，搶佔量子科技國際競爭制高點，構築發展新優勢”。“京滬幹線”和“墨子號”量子衛星等，都是基於我國前期，10餘年的基礎和應用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目，爲核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和未來規模化的應用起到了良好的示範效果，穩步推進了量子保密通信在商業和國家安全領域的應用。

在覈心量子通信器件方面，中國電子科技集團有限公司、中國科學技術大學、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隨機數產生器等主要器件的初步國產化，打破了國外禁運的壁壘。在未來2至3年，通過關鍵器件的芯片化，量子加密設備的尺寸可縮小到手機大小，並大幅降低成本。

相關應用標準制定方面，在我國50餘家科研機構和企業的積極參與下，中國通信標準化協會、全國信息安全標準化技術委員會、密碼行業標準化技術委員會等國家標準組織，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，編制了多項國家標準和行業標準。我國學者突破了美加等西方國家的阻礙，在國際電信聯盟發起成立了國際首個涵蓋量子信息全領域的標準化組織，目前正在牽頭編制多項國際標準。

量子通信技術發展前景

近年來，我國學者在單光子雷達領域已取得了一批具有國際影響力的成果：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，並創造了200公里的單光子成像最遠距離世界紀錄。同時，利用單光子雷達能夠對隱藏在視線外的物體進行觀測，即“非視域成像”，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像，首次將成像距離從米級提高到公里級，極大地推動了非視域成像技術的實用化發展。量子通信研究中發展的單光子探測技術還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，即“單光子雷達”。單光子雷達可以實現對遠距離、高精度軟目標（大氣）和硬目標（物體）的探測，已經在對地測繪、遠程預警、全球態勢感知、大氣污染檢測和預報、航空航天作業等領域發揮了重要作用。

得益於我國率先開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，核心器件的國產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。在激烈的國際競爭環境下，當前正是我國加快推進量子保密通信應用，儘早形成信息安全非對稱優勢的最佳時機。通過10年左右的努力，我國有望構建完整的廣域量子通信網絡技術體系，爲形成未來自主可控的國家信息安全生態提供重要保障。

來源：學習時報

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