伦敦推广量子保密通信需要20年，原因竟是……

光子盒研究院出品

1993年，日内瓦大学Gisin小组完成了基于偏振编码的光纤量子密钥分发(QKD)实验，经过20多年发展，光纤QKD系统已逐步成熟。2020年3月，中国研究人员在真实环境光纤中实现QKD传输距离509公里，创造了新的世界纪录。

2020年，英国也在量子保密通信领域取得进展。由英国布里斯托大学领导的一个国际研究小组在布里斯托建立了一个可扩展的城域量子网络来共享加密信息的密钥。该网络能够连接8个或更多用户，跨越17公里的距离。

但是真正在伦敦应用还需要长达20年的时间。

布里斯托尔大学的Siddarth Joshi博士说，在20年内，他们的QKD可能在伦敦这样一个人口近900万的大城市推广。之所以需要20年，不是因为技术本身，而是因为家庭中缺少光纤基础设施。他说，如果光纤技术能广泛应用于所有公民，时间可以缩短为10年。

英国落后的光纤基础设施，限制了QKD的发展。

长期以来都有这样一个问题——为什么中国人在地铁上看手机，英国人却在看书？不是因为英国人比中国人好学，而是直到2020年3月4G信号才首次覆盖伦敦地铁。现在，你可以看到下面这个场景：

在英国基本人手一台智能手机的情况下，直到2020年才能在地铁上网，可见其基础设施的落后。但这还不是最糟糕的，最糟糕的是英国的光纤宽带入户率还不到20%。

英国政府早在2018年发布了《未来电信基础设施评估》（FTIR）建议立法，以保障全光纤接入，计划到2025年让1500万家庭接入光纤宽带网络，预计到2033年全面实现英国光纤网络的全面覆盖。

在英国，光缆只是用于将互联网接入本地机柜，最终还是通过铜线接入家庭和企业，这类型的网络在英国的覆盖率有95%，而全光纤（Full fibre）才是光缆直接接入家庭和企业，就是我们常说的光纤入户（FTTP/FTTH）。

2019年约翰逊在竞选英国首相时承诺提前至2025年前实现全光纤覆盖，他说，“这个国家正在遭受（网络技术）深刻的数字鸿沟，这是一种耻辱”。根据英国通信行业监管机构Ofcom公布的数据，截至2019年1月，英国光纤入户率仅7.1%。

经过英国政府和电信公司的努力，根据thinkbroadband数据，英国光纤入户率在2019年11月突破10%，截至2020年11月，光纤入户率达到18%（伦敦地区为21.30%），预计2020年底达到19%。

这个增长速度在欧美地区已经非常快了。2013年美国和中国的光纤入户率同为17%，到了2019年，中国光纤入户率突破90%（《中国互联网发展报告2019》），美国仅增长至25%。

美国媒体数据显示，2019年中国光纤入户率未到90%，但也远超美国

根据中国信通院数据，截至2020年6月，OECD国家（主要是欧美发达国家）光纤入户率平均水平为26.8%，英国有望在2021年达到平均水平。

但是英国光纤入户率仍处于较低水平，尤其与东亚国家差距较大。截至2020年6月，中国光纤接入用户达4.3亿户，高居全球首位，占固定宽带用户的比重达93. 2%，仅次于新加坡的99. 7%，位居全球第二。

对于英国2025年实现全光纤覆盖的目标，英国电信公司（BT）最有发言权，他们认为按时完成这一目标非常艰难。

如果要按时完成任务，光纤提供商必须每年完成光纤入户430万户，是目前的两倍多。根据分析机构Analysys Mason的调研，按照现在的速度，到2025年，全光纤只能覆盖英国70%的家庭和企业。如果没有政策干预，政府的目标可能要到2033年才能实现。

为什么英国铺设光纤会如此困难？

一是资金问题。据业内人士预测，如果在全国范围内铺设光纤网络，大约需要30~50亿英镑的额外资金来支持此项计划的开展。因为种种原因，某些地区的光纤网络很难以自发的形式进入这一市场，因此，政府需要给予其部分资金支持。

英国互联网服务提供商协会（ISPA）表示：“约翰逊雄心勃勃地承诺到2025年实现全光纤覆盖，这需要与同样雄心勃勃的监管体系全面变革相匹配，包括光纤改革税。”自然会涉及到一部分穷人的经济负担问题。

二是立法问题。在2019年约翰逊上任前，英国已经提出2033年实现全光纤覆盖，但约翰逊认为这个计划没有“野心”，拖得这么慢“十分可笑”，他决定提前至2025年，立法程序需要重新走一次。

因此，本来2018年就已经提出全光纤覆盖计划，但直到2020年1月才启动立法程序，计划投资50亿英镑推出全光纤宽带。2020年12月，英国政府制定了下一步计划，即2021千兆宽带交付计划，基础设施的采购将于2021年春季开始。

三是产权问题。光纤提供商Zzoomm认为，现行法律法规（涉及光纤铺陈、施工时影响到的公路等基础设施和居民私人财产权等问题）无法保障项目的立即实施。

四是劳动力问题。英国国内宽带网络技术工人缺乏，需要外国劳工移民。这就要求英国必须调整现行移民法律。

Scientific American杂志曾评价：“光纤通信是二战以来最有意义的四大发明之一，如果没有光纤通信，就不会有今天的互联网和通信网络。”

自1966年华裔科学家高锟提出光导纤维作为信息传输介质的可行性以来，经历了飞速发展的半个多世纪。尤其在过去的30年，无线频谱中传送的信息量每两年半翻一番，互联网上每秒比特的传送量每16个月翻一番，骨干网光纤的传输带宽每9到12个月翻一番。

作为网络信息传输基石的光纤通信网络，承载了全球90%以上数据传输。传输容量从8Mb/s到96×100 Gb/s，提升120万倍；传输距离从10公里到3000公里，扩展300倍……

光纤通信的优点包括：通信容量大；中继距离长；抗干扰能力强；抗化学腐蚀能力强；光纤制造资源丰富；重量轻、体积小。截至2019年底，中国光缆线路总长度达4750万公里。

利用光纤取代铜线是为了扩大传输容量，目前全球范围内正在加快这一进程。有人预言未来20年光纤将遭遇“传输容量危机”，迫使科学家加快对新型光纤的研究。但是就光纤通信的安全而言，需要引入量子保密通信。

目前，量子保密通信主要通过QKD实现。QKD应用了量子力学的基本特性，当窃听者想要窃听量子密码，必须进行相应的测量，根据不确定性原理和量子不可克隆性，他的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。这样一来，窃听者窃听到的就不是原来的信息了，通信双方也能立即觉察到窃听者的存在，即刻中止通信。

下图是一个基于QKD的量子保密通信系统，其中上路负责密钥分发，下路负责传输加密和解密数据。在上路中，量子信道负责传输量子密钥，而经典信道负责传输测量基等额外需要的信息。

作为一种相对成熟的量子通信技术，QKD可应用于信息通信技术(ICT)系统中。

在ICT系统中，使用QKD技术建立量子安全传输通道，实现终端与业务系统间、业务系统与第三方对接系统间重要敏感信息的加密传输。比如在IP层VPN系统中用QKD技术生成对称密钥对实现VPN通道加密等。

QKD+VPN量子安全传输通道

在这个系统中，无论是量子加密终端还是量子通信终端，都通过光纤连接。

不同于传统的光纤通信，量子态的单光子不可分割、不可复制，不可能像传统通信那样进行复制放大，极大限制了光纤中的量子密钥分发距离。因此，以单光子技术为基础的量子保密通信，传输距离很大程度上取决于线路中的损耗，超低损耗光纤是延长传输距离的有效方式之一。

增加安全通信距离、提高安全成码率和提高系统的安全性，是实用量子密钥分发技术最重要的三个目标。超低损耗光纤在这几个方面有着不错的表现。

1.增加安全通行距离

对于长距离广域的量子密钥分发，需分2个步骤实现，首先通过光纤实现百千米的量子城域网络；然后通过可信中继器实现量子城际网络。2017年开通的京沪量子干线，全长为2000公里，共使用32个可信中继站，每2个中继站之间的平均距离为62.5公里。如果采用超低损耗光纤，能够提升每个中继站之间的距离，理论上需要的可信中继站更少。如图：

可信中继站数量的减少一方面可以减少设备的投入；另一方面也减少了整个链路的潜在安全隐患（可信中继站是量子保密技术中安全较为薄弱的环节），提高了链路的整体安全性能。

2020年，中国实现基于发送-不发送双场协议的509公里量子密钥分发和基于相位匹配双场协议的502公里光纤量子密钥分发，再次获得无中继光纤量子密钥分发世界纪录。

2.增加成码率

密钥生成速率即成码率是衡量QKD系统性能优劣的重要指标，但是成码率会随着距离增加而呈指数衰减。超低损耗光纤在同样的传输距离内的衰减更低（见下图），因此在系统配置相同的情况下能够提供更高的成码率。如100公里的距离，采用超低损耗光纤比普通光纤的链路衰减低3dB左右，显著提高了系统密钥成码率。

利用超低损耗光纤实现更高的成码率

3.推动经典信号与光纤的共纤传输的商业化

在基于单光子技术的QKD系统中，量子信道和经典信道分别从不同的光纤独立传输。这是因为量子信道信号比经典信道信号的强度小很多，如果量子信道和经典信道同时传输，经典信道的强信号产生一系列非线性效应严重影响QKD系统的传输效果，比如信道串扰、拉曼散射、自发辐射。

为了解决这一问题，科学家们提出量子通信与经典光传输系统如果能实现共纤传输，能够大大降低量子保密通信网络建设成本，有利于量子保密通信的实用与推广。

目前，东芝欧洲实验室、瑞士日内瓦大学、西班牙马德里大学等均开展了相关研究，实现了千兆光通信、10G波分系统和QKD量子信道复用光纤的实验。国内，中国电信和国盾量子合作开展了相关研究，完成了百兆、千兆光通信以及波分系统等和QKD量子信道共用光纤的实验。

在基础研究方面，英国并不落后。就在2020年，英国实现基于InP芯片化终端的光纤测量器件无关量子密钥分发。只是由于光纤光缆等通信基础设施的相对落后，英国QKD系统的商业化进程缓慢，导致世界上最大的城市之一伦敦推广QKD需要20年时间。

基础设施的建设，从来不是无用功。

参考文章：

[1]康宁光通信：长距离量子保密通信的关键——超低损耗光纤

[2]量子安全白皮书（2020）, 中国信息协会量子信息分会

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