美國邁出了商用量子互聯(lián)網(wǎng)的第一步 今年會(huì )是量子通信的商用元年嗎

　　在曼哈頓市中心與新澤西之間的荷蘭隧道穿行的通勤者們并不知道，就在他們的車(chē)窗外，全長(cháng)8，558英尺(約2600米)的隧道中，一種可能代表未來(lái)的通信技術(shù)正在進(jìn)行測試。

　　任何一家稍微說(shuō)的過(guò)去的情報機構都可以對普通的光纜中的信息進(jìn)行攔截和竊聽(tīng)：只要將其彎曲，而后用專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)將其中的光信號轉換為電信號。而使用這條線(xiàn)進(jìn)行通訊的人則完全無(wú)法知道有人正在實(shí)行竊聽(tīng)，因為雙方的通信并未因此有一絲的延遲。

　　但QKD，也就是人們常說(shuō)的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，借由量子物理之力解決了這個(gè)問(wèn)題。在每條光纜的終端加裝QKD系統，從外表看起來(lái)很可能就和數據中心常見(jiàn)的黑匣子一般，然后通過(guò)激光將僅比單個(gè)光子稍微大一些的光信號以弱脈沖的方式發(fā)射。在這種情況下，如果光纖中任何脈沖的路徑被中斷，使信號未以預期的時(shí)間(納秒級)到達端點(diǎn)，雙方將會(huì )立即知曉此條通信已經(jīng)被泄露。

　　承接這項工程的正是此前宣布打造美國第一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)的Quantum Xchange公司，這條沿著(zhù)美國東海岸彎延的全長(cháng)500英里(約805 km)州際QKD網(wǎng)絡(luò )，將保證商業(yè)企業(yè)和政府機構能夠無(wú)視距離并且絕對安全地傳輸數據，為現在和未來(lái)重要數字資產(chǎn)的安全提供終極防御。

　　而在荷蘭隧道中的這條“量子光纜”則是他們高安全性美國量子互聯(lián)網(wǎng)的第一站，作為一個(gè)商業(yè)公司，Quantum Xchange選擇的首要目標是將911之后的華爾街金融系統重新打通。Quantum Xchange表示(目前)高端投資者是他們第一目標市場(chǎng)，但他們希望能借此將系統盡快地拓展到其他行業(yè)，從醫療保健到關(guān)鍵基礎設施都能使用更加安全地通信。

　　“金融公司認為這是一個(gè)微分器(意為穩定可靠、抗干擾)，”Quantum Xchange首席執行官John Prisco說(shuō)幾家大型金融機構正在測試他們的量子光纖管道，并考慮使用QKD技術(shù)來(lái)保護他們最敏感的數據信息，包括交易算法和客戶(hù)結算，但他在接受彭博社的采訪(fǎng)時(shí)(受保密協(xié)議約束)拒絕透漏更多信息。

　　Quantum Xchange的目標是將光纜從波士頓一直延伸到華盛頓特區，推廣到政府機構，Prisco此前也曾表示，“屆時(shí)，在波士頓的公司將能夠向華盛頓特區甚至更遠的的合作伙伴進(jìn)行真正的安全通信。我們的目標是繼續購買(mǎi)Zayo(美國托管和網(wǎng)絡(luò )提供商，提供暗光纖服務(wù))部署于全國的暗光纖，這樣我們就可以部署一個(gè)為整個(gè)國家服務(wù)的量子安全網(wǎng)絡(luò )，我們相信，在量子計算機前所未有的力量成為攻擊性武器之前建立QKD防御戰略至關(guān)重要。同Zayo公司的合作，標志著(zhù)量子密鑰交換在商業(yè)環(huán)境中首次在美國境內完成，這是我們‘點(diǎn)亮’全國的暗光纖量子網(wǎng)絡(luò )的第一步?！倍F在他們確實(shí)地邁出了這第一步。

　　美國量子互聯(lián)網(wǎng)全圖景

　　QKD網(wǎng)絡(luò )以經(jīng)典比特方式發(fā)送編碼后的信息，而解碼它的密鑰則以量子比特的形式發(fā)送。這些數據包通過(guò)光子經(jīng)由光纖電纜傳輸。這項技術(shù)的關(guān)鍵在于，任何窺探量子比特的嘗試都會(huì )立即摧毀其脆弱的量子態(tài)，消除其所攜帶的所有數據，這基本上意味著(zhù)QKD技術(shù)目前無(wú)法破解(這僅僅意味著(zhù)理論上unhackable，但是并不代表物理上unbreakble)。

　　當然，除了成碼率、誤碼率、工程問(wèn)題外，QKD技術(shù)現在以及今后必須面對的一個(gè)問(wèn)題是距離限制。目前，地面QKD傳輸的有效實(shí)驗室數據是由東芝歐洲研究院的劍橋研究實(shí)驗室創(chuàng )下的421 km(如果按照東芝的Twin-Field QKD協(xié)議，則最遠距離將突破500 km)。然而，對于真實(shí)條件下的高速傳輸，記錄僅為約97 km(短距密鑰高速傳輸亦只有1 Mbps左右的速度，同樣如果以東芝的協(xié)議為方案將突破10 Mbps，但傳輸距離僅有不到7 km;一般來(lái)說(shuō)在超過(guò)百余公里后，速度將衰減為十幾 kbps)。

　　因此為了解決這個(gè)問(wèn)題，包括Quantum Xchange在內的大多數公司都選擇增加可信中繼節點(diǎn)的方式。(另一種中繼方式為量子中繼，即利用量子態(tài)的存儲、轉發(fā)實(shí)現量子糾纏的遠距離分發(fā)，無(wú)需保證中繼節點(diǎn)可信，但仍處于理論研究階段，實(shí)用化仍有距離，目前國內中科大、清華大學(xué)均有涉及。)

　　中國的量子干線(xiàn)是一個(gè)典型的例子，從各省市的QKD實(shí)驗網(wǎng)、城域網(wǎng)，到總長(cháng)超過(guò)2000 km仍在不斷完善、延伸的京滬干線(xiàn)，采用的均是可信中繼方案進(jìn)行密鑰中繼，除了類(lèi)似合肥、武漢、廣州等骨干節點(diǎn)外，每條專(zhuān)線(xiàn)、每個(gè)城域網(wǎng)都建有大量的中繼節點(diǎn)，以保證密鑰傳輸速率以及安全性。(但在這些中繼節點(diǎn)中，密鑰的生成和存儲不再受量子特性的保護，因此極易受到黑客以及物理形式攻擊的威脅，前NSA網(wǎng)絡(luò )安全專(zhuān)家Anthony Lawrence曾表示，中國使用武裝警衛來(lái)保護他們量子干線(xiàn)上的中繼節點(diǎn)，當然事實(shí)上，除了某些特殊地點(diǎn)外，實(shí)際普遍采用的是異或中繼技術(shù)以及端到端的密鑰共享方案來(lái)保證中繼節點(diǎn)的安全性。)

　　信通院深度觀(guān)察報告(2018)·量子信息領(lǐng)域

　　從某種角度上來(lái)看，我國采用這種廣而全的“大尺度”方式推進(jìn)試點(diǎn)和網(wǎng)建，也是為了彌補因為政策和科研機構主導而帶來(lái)的驅動(dòng)力不足的影響，以探索的方式推進(jìn)城市內部的拓展應用，可以合理地在實(shí)踐中保證產(chǎn)業(yè)鏈、研發(fā)、應用以及標準化工作的持續發(fā)展和進(jìn)步。

　　目前，除了我國外，美國、奧地利(歐盟)、西班牙、日本都在早期便建立了自己的QKD實(shí)驗網(wǎng)，而隨著(zhù)理論與技術(shù)的成熟，2013年(京滬干線(xiàn)計劃正式立項)之后，全球大規模量子保密通信網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始迅速增長(cháng)，美國、英國、歐盟、意大利、韓國等國均啟動(dòng)各自的國家量子骨干網(wǎng)絡(luò )建設計劃。

　　值得一提的是早在“十二五”規劃中，我國便將量子通信與量子計算作為重點(diǎn)發(fā)展的戰略領(lǐng)域方向進(jìn)行系統布局。并在“空間科學(xué)”戰略性先導科技專(zhuān)項中，部署實(shí)施“量子科學(xué)衛星計劃”，開(kāi)展星—地量子通信技術(shù)研究(這一系列研究的展開(kāi)和立項得益于2005年潘建偉團隊實(shí)現的13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗證明了星地量子通信的可能性)，最終得以在2017年實(shí)現1200公里自由空間量子密鑰分發(fā)，并成功打造了“墨子號”量子衛星和“京滬干線(xiàn)”相結合的天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )雛形。

　　在國際上收獲巨大聲譽(yù)的同時(shí)，我國的量子保密通信同時(shí)也遭受到了巨大的質(zhì)疑，主要原因在于重大科技產(chǎn)業(yè)普遍面臨著(zhù)(產(chǎn)業(yè)、教育)成本過(guò)高、用戶(hù)群體高端化等難題。

　　另一方面的問(wèn)題則是，盡管：

　　得益于"京滬干線(xiàn)"、沿線(xiàn)城域網(wǎng)以及各地政企專(zhuān)網(wǎng)，我國已經(jīng)具備了為多行業(yè)、多領(lǐng)域提供量子保密應用服務(wù)的能力。

　　在金融領(lǐng)域，早在2011年，中科大就與新華社開(kāi)展了量子通信在金融信息安全方面的應用研究，并于同年完成了全球首個(gè)“金融信息量子保密通信技術(shù)驗證專(zhuān)線(xiàn)”;而在京滬干線(xiàn)建設初期階段便已嘗試與銀行系統、檔案、數據庫接入，通過(guò)與銀監會(huì )合作率先與10多家銀行以及其他金融機構開(kāi)展了數據中心異地災備、企業(yè)網(wǎng)銀實(shí)時(shí)轉賬等應用試驗，特別是與中國人民銀行合作打造的以"人民幣跨境收付信息管理系統RCPMIS" 為核心的量子保密通信應用，首批即有14家單位參與其中，并欲以量子干線(xiàn)為基礎向全國推廣;

　　在云服務(wù)領(lǐng)域，與阿里云合作，融合量子和云技術(shù)，在云上實(shí)現了網(wǎng)商銀行商業(yè)數據的加密傳輸;

　　在電力領(lǐng)域，通過(guò)與國家電網(wǎng)合作，實(shí)現了電力領(lǐng)域重要業(yè)務(wù)數據信息利用量子保密通信技術(shù)在京滬兩地災備中心之間的加密傳輸，并復用京滬干線(xiàn)沿線(xiàn)量子城域網(wǎng)開(kāi)展基于量子保密通信技術(shù)的內部辦公和對外業(yè)務(wù)的安全防護;

　　在行業(yè)應用領(lǐng)域，最高人民法院與安徽省高院之間正在開(kāi)展量子視頻試點(diǎn)業(yè)務(wù)。

　　此外，武警、檢察院以及醫療大數據領(lǐng)域的應用示范正在逐步推進(jìn)。

　　我們仍然缺少適合推廣的商業(yè)模式以及殺手級應用。

　　在全國政協(xié)十三屆二次會(huì )議舉行的記者會(huì )上，全國政協(xié)委員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(cháng)、中科院院士潘建偉表示，“我國目前在量子信息領(lǐng)域有一定的國際競爭力，甚至在部分方向上還處于國際領(lǐng)先地位，但也不能太樂(lè )觀(guān)，有些優(yōu)勢受到歐美發(fā)達國家的強烈沖擊。跟傳統的國際科技強國相比，我國以往的科研組織模式以短期的科研項目為主，所以在滿(mǎn)足國家戰略緊迫需求，以及在科技資源的整合力度和支持強度上還是有所不足，企業(yè)對于前沿科技的投入熱情，與發(fā)達國家相比有一定的差距?！?/p>

　　“中國要做好科技創(chuàng )新，需要黨和國家高瞻遠矚，進(jìn)行整體性布局?！辈⒈硎玖孔有畔⒖茖W(xué)，已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)深化和快速發(fā)展的階段，特別需要多學(xué)科的交叉融合和各項關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，希望國家在這一領(lǐng)域部署重大科技項目，構建國家實(shí)驗室。

　　考慮到國情和現實(shí)，自上而下的統籌部署和實(shí)施似乎是這個(gè)領(lǐng)域最合理的方案。隨著(zhù)2016年“十三五規劃”中“2030量子通信與量子計算機重大專(zhuān)項”的釋出，以及伴隨中國經(jīng)濟結構調整而出現的產(chǎn)業(yè)遷移、轉型而帶來(lái)的中部區域崛起，尤其是新興工業(yè)和中高端制造業(yè)，政策方面特別是科研教育人才政策的資源稟賦越發(fā)顯著(zhù)，合肥、濟南、重慶等地都圍繞轉型和創(chuàng )新先后投入重金塑造自己的產(chǎn)業(yè)集群和產(chǎn)業(yè)品牌——“量子谷”。

　　無(wú)論是環(huán)節還是平臺規劃的如何合理，最終，轉化永遠是科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新的關(guān)鍵。

　　我們可以確定地說(shuō)，量子密鑰分配是目前量子信息技術(shù)最具現實(shí)意義和可行性的商業(yè)應用。盡管如此，我國的量子通信商業(yè)化之路仍充滿(mǎn)坎坷，即使是在上文所說(shuō)的金融、政務(wù)領(lǐng)域，還是更加隱秘軍事方面的都摸索出了獨特的道路，但產(chǎn)業(yè)鏈下游的應用和環(huán)境仍然以政府牽頭為主，簡(jiǎn)單說(shuō)就是“資本靠政策，市場(chǎng)看市長(cháng)”，而相關(guān)產(chǎn)業(yè)和商業(yè)模式仍很稚嫩甚至脆弱，從各個(gè)商業(yè)公司包括國科、國盾、問(wèn)天等在內公布的信息來(lái)看，受制于目前研究階段、市場(chǎng)主體發(fā)育不健全、關(guān)鍵型項目(品牌)缺乏等因素，相關(guān)項目仍較為單一。

　　同時(shí)，量子通信仍處于被廣泛應用前的階段，需要大量的科普工作，大眾、市場(chǎng)心存疑慮是必然，也是必須的，任何沒(méi)能通過(guò)考驗的項目。但我們同樣必須清楚的是量子通信領(lǐng)域的研究和發(fā)展也是必須的，因為科技永遠向前。