按：信息安全是事关国计民生的重大战略领域，传统的信息安全通过依赖于计算复杂度的加密算法来实现，然而随着计算能力的飞速发展，依赖于计算复杂度的传统加密算法面临着日益加剧的安全风险。量子通信提供了原理上无条件安全的通信方式，有望克服传统信息加密与破解之间“矛与盾”的长期对抗问题，大幅提升信息传输的安全性。

量子通信的基本原理

量子通信是利用量子比特作为信息载体来进行信息交互的通信技术。量子通信有两种最典型的应用，分别是量子密钥分发和量子隐形传态。

量子密钥分发是指利用量子态来加载信息，通过一定的协议在遥远地点的通信双方产生共享密钥。量子力学基本原理保证了密钥的不可窃听，从而可在原理上实现无条件安全的量子保密通信。量子密钥分发的安全性基于物理学基本原理，与计算复杂度无关，即使在未来强大的量子计算机问世也不会对其安全性形成威胁。

量子隐形传态是指利用量子纠缠来直接传输微观粒子的量子状态（即量子信息），而不用传输这个微观粒子本身。量子隐形传态可以连接量子信息处理单元来构建量子信息处理网络，同时也是远距离量子密钥分发所需量子中继的重要环节，因此国际学术界将量子密钥分发和量子隐形传态统称为量子通信。

量子密钥分发是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。通过量子密钥分发所生成的安全密钥，除了原理上无条件安全的“一次一密”的加密方式外，还可以与经典对称加密算法相结合，兼顾安全性与通信速率，例如，按照现有技术水平，量子密钥分发与AES加密算法相结合，可以达到Gbps的通信速率，同时大幅提升种子密钥的更新率，有效提升通信安全水平。此外，也可与下一代的“抗量子计算密码（PQC）”相结合，增强身份认证等的安全性。

鉴于量子通信重要的科学意义和应用价值，以及逐渐广泛的现实应用，该领域不断得到国际学术界的高度肯定。2018年，量子通信理论的奠基者Charles Bennett和Gilles Brassard由于“建立和发展了量子密码学以及量子隐形传态”获得沃尔夫物理学奖。在对他们成就的介绍中，专门提到了我国学者的重要贡献：“量子密钥分发系统已经商用化，在光纤中的传输距离已达到数百公里，并且利用卫星平台达到了千公里量级。”2022年，Bennett, Brassard由于“设计了第一个有实用价值的量子密钥分发协议——BB84协议，开创了量子密码学”，和另两位量子计算领域的先驱学者David Deutsch和Peter Shor共同获得科学突破奖。同年，诺贝尔物理学奖授予了Alain Aspect, John Clauser和Anton Zeilinger，以表彰他们“用纠缠光子进行实验、确立贝尔不等式的违反以及开创量子信息科学”。在2022年诺贝尔物理学奖发布现场和科学背景介绍中，对他们以及包括我国学者在内全球学界开展的量子通信领域标志性实验研究进行了大篇幅阐述。

广域量子通信的发展路线

量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接，是广域量子通信网络的发展路线。

在城域量子通信网络方面，中国科大先后建成国际上首个全通型城域量子通信网络、首个量子政务网以及首个规模化城域量子通信网络，并在这一过程中将相关技术发展成熟，自主研制的量子保密通信装备已经为多个党和国家重要活动提供了信息安全保障。

在基于可信中继的城际量子通信网络方面，在国家发展改革委的支持下，中国科大牵头建设了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”，于2016年底全线贯通。干线全长2000余公里，连接北京和上海，贯穿济南、合肥等地区。在沿线金融、政务、电力等部门的合作下，开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在“京沪干线” 应用示范的基础上，国家发展改革委于2018年2月批复了“国家广域量子保密通信骨干网络”项目，2022年9月，总里程超过10000公里的国家量子骨干网全线贯通。骨干网覆盖京津冀、长三角、粤港澳、成渝等重要区域，将推动量子保密通信的规模化应用。

在星地自由空间量子通信方面，在中科院的支持下，中国科大联合中科院上海技物所、微小卫星研究院等单位，研制成功国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“墨子号”于2016年8月发射升空，在国际上率先实现了千公里级星地量子通信，首次实现了距离达7600公里的洲际量子通信，充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。利用“墨子号”积累的成功经验，量子卫星的研制成本已由数亿元降到千万元量级。2022年，我国又研制并发射了世界首颗量子微纳卫星“济南一号”，该卫星将为构建低成本、实用化的卫星量子通信网络（即“量子星座”）奠定基础。同时，地面接收站的重量也已由十几吨降到一百公斤左右，可初步支持移动量子通信。

结合“墨子号”量子卫星与“京沪干线”，我国率先构建了天地一体化广域量子保密通信网络的雏形，成为近年来国际量子信息研究的一大标志性事件。对比美国2020年7月发布的“量子互联网”国家战略愿景，我国在基于量子通信的量子互联网研究方面领先美国三到五年。

量子通信技术的应用推广

2020年10月16日，习近平总书记在中央政治局关于量子科技的集体学习上指出，要“统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发，培育量子通信等战略性新兴产业，抢占量子科技国际竞争制高点，构筑发展新优势”。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等，都是基于我国前期十余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目，为核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和未来规模化的应用起到了良好的示范效果，稳步推进了量子保密通信在商业和国家安全领域的应用。

在核心量子通信器件方面，中国电科、中国科大、中科院微系统所等实现了通信波段单光子探测器和量子随机数产生器等主要器件的初步国产化，打破了国外禁运的壁垒。在未来二至三年，通过关键器件的芯片化，量子加密设备的尺寸可缩小到手机大小，并大幅降低成本。

相关应用标准制定方面，在我国50余家科研机构和企业的积极参与下，中国通信标准化协会、全国信息安全标准化技术委员会、国家密码行业标准化技术委员会等国家标准组织，围绕量子保密通信技术的互联互通、安全测评、应用服务等方面，编制了多项国家标准和行业标准。我国学者在国际电信联盟发起成立了国际首个涵盖量子信息全领域的标准化组织，目前正在牵头编制多项国际标准。

得益于我国率先开展了广域量子通信的技术验证与应用示范，网络技术已初步满足实用化要求，核心器件的国产化和设备的小型化已初步实现，具备了在关键部门先行先试的条件。在激烈的国际竞争环境下，当前正是我国加快推进量子保密通信应用，尽早将技术优势转化为应用和产业优势形成信息安全非对称优势的最佳时机。通过10年左右的努力，我国有望构建完整的广域量子通信网络技术体系，为形成未来自主可控的国家信息安全生态提供重要保障。

图片和文章来源：量子科话微信公众号