一文读懂量子通信，中国商业化走在世界前列 | Alpha充电站
本期我们分享量子通信近年来的商业化进展。
本文导览：
1. 信息安全 — 没有硝烟的战争；
2. 量子纠缠 — 爱因斯坦的幽灵；
3. 量子通信技术路线及发展现状；
4. 量子通信应用场景；
5. Alpha观点。
公元前5世纪，波斯秘密结了强大的军队，准备对雅典和斯巴达发动一次突袭。希腊人狄马拉图斯在波斯的苏萨城里看到了这次集结，便利用了一层蜡把木板上的字遮盖住，向希腊人泄密波斯的图谋，最终，波斯海军覆没于雅典附近的沙拉米斯湾。
1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森共同提出了量子纠缠效应，描述了两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。通俗来讲，就是两个同源且相关的微观粒子之间不管距离有多远，在观测其中一个粒子的时候会同时影响到另一个粒子，不受到四维时空的约束，爱因斯坦称之为“Spooky Action at a Distance”，即“幽灵般的超距作用”。
1982年，法国高光所Alain Aspect完成EPR实验，实验结果表明微观量子之间存在“量子纠缠”的关系。量子同时具有不可克隆的特性（即不可能复制一个未知的量子态而不对齐扰动）以及海森堡测不准关系的特性（即无法同时测定量子的位置与动量）。
量子纠缠示意图（Wikipedia）
广义的量子通信主要包括量子密钥分发 (也被叫做量子密码，量子保密通信)、量子隐态传输以及量子直接安全通信等技术。目前成熟商用的是基于量子密钥分发（Quantum Key Distribution / QKD）的量子保密通信技术。前文提到，现有的信息加密技术主要是依靠复杂的数学算法，虽然具备一定安全性，但是存在被破译的可能，并非绝对可靠。而量子保密通信基于量子力学原理实现，能够实现超高级别的安全通信。
具体来讲，量子保密通信类似于现代密码学中的对称密码体制，其加解密算法通常采用一次一密（One Time Pad）密码或其它高安全性的经典对称密码算法实现，而密钥采用QKD实现。由于QKD基于量子力学的不可克隆与海森堡测不准原理实现，巧妙地把对信息的扰动和第三方窃听者获取的信息量联系到一块，达到对攻击者侦测感知的目的。QKD生成分发的密钥真随机，实时更新，并且理论上无条件安全。这些特性使得QKD配合使用具有信息理论安全性的一次一密密码，从而实现了通信的绝对安全。具体的量子保密通信过程见下图：
随着量子通信技术的成熟，全球开始陆续进行大规模商业化：2019年英国量子保密通信网络开始试点应用、欧盟13国参与OpenQKD项目；2020年美国推出量子互联网国家战略蓝图；日本政府计划在2025年实现量子加密的普及。而放眼全球，中国量子通信技术水平处于国际领先地位，与英国、瑞士、美国并驾齐驱。2016年，我国完成量子通信“京沪干线”并与“墨子号”量子卫星进行连接，率先进入广域网阶段。各地城域网也在积极规划中，目前已建成的实用化光纤量子通信网络已近万公里。在国际电信联盟（ITU）、中国通信标准化协会（CCSA）的标准制定中，中科大、上海交大以及其他国内相关机构积极参与，在行业中已具备较大话语权。
广域量子通信技术发展路线（科技中国）
自全球第一个协议推出到现在，QKD已经历近40年的发展，逐渐演变出两种成熟的技术路线：离散变量量子密钥分发（DV-QKD）和连续变量量子密钥分发（CV-QKD），其中，CV-QKD是新一代量子密钥分发技术。2002 年，Philippe Grangier 和他的学生 Frédéric Grosshans 在隶属于巴黎高光所(Institu d'optique) 的夏尔·法布里实验室 Laboratoire Charles Fabry 首度提出了目前最为重要的 CV-QKD 协议 —— GG02协议，该技术提出在发射端使用量子化光场（相干态）的正交分量来调制信息，在接收端使用相干探测技术来解调信息，使得CV-QKD可以借鉴和继承相干光通信中的成熟技术。与DV-QKD相比，CV-QKD短距离成码率较高，能满足更丰富的应用，同时更适合与经典光通信网络融合，是具有前景的下一代量子通信技术。华为、烽火等传统光通信厂商已经入局CV-QKD产业链，通过学术界和产业界的结合，有望迅速拉低成本。
在国内，以潘建伟院士为代表的中科大科研团队掌握着DV-QKD核心技术。潘建伟1992年毕业于中国科学技术大学近代物理系，1995年获该校理论物理硕士学位，1999年获得奥地利维也纳大学博士学位，2008年入选中组部首批青千，2011年当选为中国科学院院士。其科研团队已取得众多关键突破，包括全球首个规模化的城域量子通信网建设以及首颗量子通信卫星“墨子号”发射。
此外，以曾贵华教授为代表的上海交大科研团队在新兴的CV-QKD技术也有超20年的技术积累。曾贵华教授是国家教育部新世纪优秀人才计划获得者，德国洪堡学者，国际学术会议IEEE ICEITC 2006和IEEE ICEITC 2007程序委员，全国量子光学专业委员会委员，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室学术带头人。其科研成果有效提升了CV-QKD安全传输距离、最终密钥率，并在国际上首次实验实现了基于本地本振的连续变量量子密钥分发。
从未来延伸的角度来看，量子保密通信通信作为第一代技术，将逐渐迭代至第二代基于量子纠缠态的量子信息分发和中继网络以及第三代基于量子计算资源的全真量子态传输网络。第一代的量子网络QKD基本不具备分布纠缠的能力，第二代具有简单点对点的分布能力，第三代则具有把纠缠进行复杂逻辑处理，进行全网络分布的能力。近年来学术界处于第二代技术阶段，第三阶段亦是热点。量子网络正逐步成为量子科技领域科研和应用探索的前沿热点，中国、美国、日本、荷兰、英国、俄罗斯等国家都加速了量子网络布局，为即将到来的量子网络时代未雨绸缪。
量子通信是国家重点战略部署的新兴产业，受到国家和地方产业政策的支持。随着技术发展与成熟，量子通信行业正逐步由国家党政军需求主导逐步迈向行业化需求爆发的阶段。
▶ 党政军市场
政府项目同时承担着国家战略的落地作用，是量子通信率先大规模应用的场景。2018年国家发改委正式批复国家量子骨干网项目，2020年国家计划5年投入千亿元建立合肥实验室，培育量子通信等新兴产业。此外，政府、军队等机构对于通信机密性、完整性、真实性要求极高，目前多地已建成量子政务网（如芜湖市量子政务网和昆明国家高新区量子政务网），新时代的国防信息化对于安全保密的投入亦逐年增加。
国盾量子作为量子信息产业的开拓者，承接着国家战略的落地，依托多个骨干网项目的落地于2020年在科创板正式鸣锣上市。然而上市后，国盾量子近两年在业绩以及市场上表现的不及预期也引发了人们对量子项目应用场景的进一步思考，党政军作为量子通信实施落地的市场在拥有最快落地，不追求高效益的同时，也会导致公司对政府项目的依赖增大、应收账款周转天数的增加等风险，而随着技术的优化和成熟，金融、电力、轨交等行业市场将成为量子通信竞争的下一片蓝海。
▶ 金融市场
随着信息技术的发展，交易网络化、系统化、快速化和货币数字化已经是当前金融业最重要的特点，这对金融信息系统的安全保密性提出了严格的要求。金融信息系统必须保证金融交易的机密性、完整性、访问控制、鉴别、审计、追踪、可用性、抗抵赖性和可靠性。因此量子通信在金融领域也能实现大规模应用。量子保密通信系统已进入工商银行、中国银行、交通银行、民生银行、浦发银行以及北京农商行等多家银行的长期规划中。
▶ 电力市场
电力系统涉及发、变、输、配、用等多个流程，系统复杂，且对安全、稳定、可靠方面有着较高要求。而电力系统关系国计民生，我国大力推动智能电网建设和输配电改革，量子通信有望帮助电力系统实现安全稳定可靠地运行。
量子通信电力解决方案（华兴Alpha整理）
▶ 轨交市场
轨道交通是城市里的大型公共基础设施，人流密集，因此更需要加强信息安全管理，提高抗风险能力。基于量子的物理特性，该技术将有效提高系统网络攻防与态势感知能力，实现数据中心敏感文件的加密存储，并对敏感文件的访问轨迹进行跟踪，防止任何病毒对数据中心存储文件的破坏。
量子通信轨交解决方案（华兴Alpha整理）
▶ C端市场
未来量子通信的应用甚至也可以延伸向个人领域，如量子安全U盾、量子安全TF卡、量子安全加密手机等产品。在5月17日世界电信和信息社会日到来之际，中国移动发布基于“VoLTE的量子加密通话业务”，中国电信发布搭载量子安全通话产品的手机——天翼1号2022。
天翼1号量子安全通话手机（中国电信）
Alpha观点
保密通信不仅是国家重点关注领域，对于安全需求强的行业同样也是必需品。随着技术的成熟、产品的模块化和小型化，量子通信在行业市场保有更大的潜在市场空间，且将迎来C端市场的爆发。摩根士丹利预测全球量子安全市场在2020-2030年的复合年增长率为45％，考虑到中国对信息安全的需求和对量子技术的高度重视，国内市场突破会更快。中国拥有全球最丰沃的量子通信发展土壤，华兴Alpha对该领域保持关注，同时也看到一些非常有潜力的企业，欢迎各位投资人和创始人朋友们交流探讨。
参考资料来源：中信证券、招商证券、兴业证券、东吴证券、光子盒研究院、公开资料整理
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