信息安全是事關(guān)國(guó)計(jì)民生的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域。傳統(tǒng)的信息安全通過(guò)依賴于計(jì)算復(fù)雜度的加密算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而隨著計(jì)算能力的飛速發(fā)展，依賴于計(jì)算復(fù)雜度的傳統(tǒng)加密算法面臨著日益加劇的安全風(fēng)險(xiǎn)。
基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信是迄今唯一原理上無(wú)條件安全的通信方式。量子密鑰分發(fā)是指利用量子態(tài)來(lái)加載信息，通過(guò)一定的協(xié)議產(chǎn)生密鑰。量子力學(xué)基本原理保證了密鑰的不可竊聽(tīng)，從而實(shí)現(xiàn)安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基于物理學(xué)基本原理，與計(jì)算復(fù)雜度無(wú)關(guān)，即使未來(lái)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世也不會(huì)對(duì)其安全性形成威脅。
量子保密通信是最先走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的量子信息技術(shù)。通過(guò)量子密鑰分發(fā)所生成的安全密鑰，除了原理上無(wú)條件安全的“一次一密”加密方式外，還可以與經(jīng)典對(duì)稱加密算法相結(jié)合，兼顧安全性與通信速率。例如，按照現(xiàn)有技術(shù)水平，量子密鑰分發(fā)與AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）加密算法相結(jié)合，可以達(dá)到Gbps（交換帶寬）的通信速率，同時(shí)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(jì)算密碼）”相結(jié)合，增強(qiáng)身份認(rèn)證等的安全性。
廣域量子通信的發(fā)展路線
量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接，最終通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。
在城域量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先后建成國(guó)際上首個(gè)全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、首個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)以及首個(gè)規(guī)模化城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并在這一過(guò)程中將相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟，自主研制的量子保密通信裝備已經(jīng)為很多重要活動(dòng)提供了信息安全保障。
在基于可信中繼的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，國(guó)際上首條遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”，于2016年底全線貫通。干線全長(zhǎng)2000余公里，連接北京和上海，貫穿濟(jì)南、合肥等地。在沿線金融、政務(wù)、電力等部門的合作下，開(kāi)展遠(yuǎn)距離量子保密通信的技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范。在“京滬干線”應(yīng)用示范的基礎(chǔ)上，國(guó)家發(fā)展改革委于2018年2月批復(fù)了“國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目，將覆蓋京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳、成渝等重要區(qū)域，推動(dòng)量子保密通信的規(guī)模化應(yīng)用。
在星地自由空間量子通信方面，在中國(guó)科學(xué)院的支持下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位，研制成功世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。“墨子號(hào)”于2016年8月發(fā)射升空，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了星地量子通信，首次實(shí)現(xiàn)了距離達(dá)7600公里的洲際量子通信，充分驗(yàn)證了基于衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性。利用“墨子號(hào)”積累的成功經(jīng)驗(yàn)，量子衛(wèi)星的研制成本已由數(shù)億元降到千萬(wàn)元量級(jí)，預(yù)計(jì)2022年初小型化量子衛(wèi)星將發(fā)射升空，為構(gòu)建低成本的星群奠定基礎(chǔ)。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(dòng)量子通信。
結(jié)合“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星與“京滬干線”，我國(guó)率先構(gòu)建了天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，成為近年來(lái)國(guó)際量子信息研究的一大標(biāo)志性事件。
量子通信技術(shù)應(yīng)用推廣
2020年10月16日，中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記主持學(xué)習(xí)并指出，“統(tǒng)籌基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子通信等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢(shì)”。“京滬干線”和“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星等，都是基于我國(guó)前期，10余年的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成果而進(jìn)行的工程化集成與驗(yàn)證項(xiàng)目，為核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定和未來(lái)規(guī)模化的應(yīng)用起到了良好的示范效果，穩(wěn)步推進(jìn)了量子保密通信在商業(yè)和國(guó)家安全領(lǐng)域的應(yīng)用。
在核心量子通信器件方面，中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等實(shí)現(xiàn)了通信波段單光子探測(cè)器和量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器等主要器件的初步國(guó)產(chǎn)化，打破了國(guó)外禁運(yùn)的壁壘。在未來(lái)2至3年，通過(guò)關(guān)鍵器件的芯片化，量子加密設(shè)備的尺寸可縮小到手機(jī)大小，并大幅降低成本。
相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)制定方面，在我國(guó)50余家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的積極參與下，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、全國(guó)信息安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)、密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)組織，圍繞量子保密通信技術(shù)的互聯(lián)互通、安全測(cè)評(píng)、應(yīng)用服務(wù)等方面，編制了多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)學(xué)者突破了美加等西方國(guó)家的阻礙，在國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)起成立了國(guó)際首個(gè)涵蓋量子信息全領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化組織，目前正在牽頭編制多項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
量子通信技術(shù)發(fā)展前景
近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者在單光子雷達(dá)領(lǐng)域已取得了一批具有國(guó)際影響力的成果：突破了常溫下探測(cè)紅外單光子的量子效率極限，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離紅外單光子大氣雷達(dá)探測(cè)；實(shí)現(xiàn)了大氣風(fēng)場(chǎng)的晝夜連續(xù)探測(cè)，并創(chuàng)造了200公里的單光子成像最遠(yuǎn)距離世界紀(jì)錄。同時(shí)，利用單光子雷達(dá)能夠?qū)﹄[藏在視線外的物體進(jìn)行觀測(cè)，即“非視域成像”，實(shí)現(xiàn)“隔墻觀物”，在反恐防暴、緊急救援等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景；實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離非視域成像，首次將成像距離從米級(jí)提高到公里級(jí)，極大地推動(dòng)了非視域成像技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展。量子通信研究中發(fā)展的單光子探測(cè)技術(shù)還可以極大地提升傳統(tǒng)激光雷達(dá)的探測(cè)靈敏度、探測(cè)距離、分辨率等性能，即“單光子雷達(dá)”。單光子雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離、高精度軟目標(biāo)（大氣）和硬目標(biāo)（物體）的探測(cè)，已經(jīng)在對(duì)地測(cè)繪、遠(yuǎn)程預(yù)警、全球態(tài)勢(shì)感知、大氣污染檢測(cè)和預(yù)報(bào)、航空航天作業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
得益于我國(guó)率先開(kāi)展了廣域量子通信的技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已初步滿足實(shí)用化要求，核心器件的國(guó)產(chǎn)化和設(shè)備的小型化已初步實(shí)現(xiàn)，具備了在關(guān)鍵部門先行先試的條件。在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，當(dāng)前正是我國(guó)加快推進(jìn)量子保密通信應(yīng)用，盡早形成信息安全非對(duì)稱優(yōu)勢(shì)的最佳時(shí)機(jī)。通過(guò)10年左右的努力，我國(guó)有望構(gòu)建完整的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，為形成未來(lái)自主可控的國(guó)家信息安全生態(tài)提供重要保障。（作者：徐飛虎 彭承志 潘建偉）
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文章刊載于《學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)》2022年1月19日第6版
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