量子通信領(lǐng)域真正的國貨之光來了

袁露華

20世紀(jì)最重大的科學(xué)革命是什么？毫無疑問，是量子力學(xué)的建立。一個(gè)多世紀(jì)以來，量子力學(xué)雖然備受爭議，但已成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一，推動(dòng)了半導(dǎo)體、激光、核能、超導(dǎo)、核磁共振等等的發(fā)展，從根本上改變了人類的生活方式和社會(huì)面貌。

這其中，有一個(gè)更加年輕的領(lǐng)域，也是更受爭議的領(lǐng)域，那就是量子通信。這是一個(gè)曾被“看不懂”的新事物，如今已成為國家重點(diǎn)支持的前沿科技和戰(zhàn)略新興領(lǐng)域。一個(gè)不那么廣為人知的事情是，量子保密通信是近現(xiàn)代唯一一個(gè)由中國新創(chuàng)造的產(chǎn)業(yè)。近期，量子通信第一股國盾量子（688027）即將在科創(chuàng)板上市，標(biāo)志著我國在量子通信產(chǎn)業(yè)化方面邁出了重大一步。

量子通信：從被質(zhì)疑到應(yīng)用落地

量子力學(xué)是量子通信的理論基礎(chǔ)，其中，疊加、糾纏原理對量子通信的研究起到了決定性作用。疊加原理指的是一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上，即，你不觀察它，一個(gè)電子既在A點(diǎn)又不在A點(diǎn);你一觀察，這種疊加狀態(tài)就崩潰了，它就真的只在A點(diǎn)或者真的只在B點(diǎn)了，只有一個(gè)狀態(tài)，“薛定諤的貓”就是其體現(xiàn)。而所謂量子糾纏，指的是兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能“感知”和影響對方的狀態(tài)，有點(diǎn)類似于心靈感應(yīng)。

這兩個(gè)原理違背宏觀世界認(rèn)知，甚至可以用“詭異”來形容。20世紀(jì)以來，關(guān)于量子力學(xué)的擁躉與質(zhì)疑齊飛，但同時(shí)，在各大領(lǐng)域應(yīng)用飛速落地。

1993年，美國科學(xué)家C.H.Bennett提出了量子通信的概念，隨后，各國科學(xué)家開始進(jìn)行大量研究。與很多中國后來居上的領(lǐng)域不同，在量子通信這里，中國科學(xué)家?guī)缀跻婚_始，就走在前沿。

1997年，正在奧地利留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸，這是后來被譽(yù)為“量子之父”的潘建偉在國際上第一次聲名遠(yuǎn)播。

將近10年后，2006年，潘建偉帶領(lǐng)的小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、歐洲慕尼黑大學(xué)—維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，打開量子通信走向應(yīng)用的大門。

其后，量子通信一路高歌猛進(jìn)，傳輸紀(jì)錄不斷被打破。最新的重大突破是，今年6月，潘建偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合牛津大學(xué)Artur Ekert等團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表的論文稱，團(tuán)隊(duì)利用中國“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了1000km級(jí)的基于糾纏的無中繼量子密鑰分發(fā)，相當(dāng)于北京到武漢的距離。2009年，中國科技大學(xué)潘建偉、彭承志團(tuán)隊(duì)成立了安徽量子通信技術(shù)有限公司，即后來的國盾量子，成為最早從事量子保密通信產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)。再之后的故事是，中國量子保密通信產(chǎn)業(yè)化走在了世界最前端。

QKD的信息理論安全性

在“靠不靠譜”的質(zhì)疑聲下，潘建偉等人在量子通信領(lǐng)域做出的一批成就，底氣在于量子通信的安全性。現(xiàn)代密碼學(xué)認(rèn)為：一切秘密寓于密鑰之中，正是因?yàn)槊荑€，量子通信走進(jìn)了密碼學(xué)，服務(wù)于信息安全。

現(xiàn)階段，量子通信的典型應(yīng)用形式主要分兩種：量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution， QKD）和量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation，QT）。QKD主要采用1984年提出的BB84協(xié)議，利用量子的不可克隆性，對傳統(tǒng)信息進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的安全通信;QT是利用量子的糾纏態(tài)來傳輸量子比特，可以實(shí)現(xiàn)任意遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā)及網(wǎng)絡(luò)，類似于“瞬間轉(zhuǎn)移”。如沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、量子密碼的提出者之一Gilles Brassard所言，量子保密通信“將最終實(shí)現(xiàn)所有密碼學(xué)者千年來的夢想”。

QKD是目前遠(yuǎn)距離安全量子通信的主要應(yīng)用方向。基本方法是使用量子態(tài)來編碼信息，通過對量子態(tài)的制備、傳輸和檢測來達(dá)到安全分發(fā)隨機(jī)數(shù)——即密鑰的目的，這種分發(fā)的安全性不受人類計(jì)算能力的影響，常被稱為信息理論安全性。由于量子力學(xué)的測不準(zhǔn)和不可克隆定理，竊聽者無法取得正確的密鑰。而在傳統(tǒng)的光纖通信方式下，讓光纜泄漏一部分能量，就能夠竊聽光纜傳遞的信號(hào)，從而導(dǎo)致信息泄露。

不過在應(yīng)用中，QKD仍是依托于光纖通信的，簡單來說，量子通信=傳統(tǒng)通信+量子密碼，它更像是給傳統(tǒng)通信增加了更加安全的量子密碼保障。QKD的優(yōu)勢主要有兩個(gè)：一是能判斷出密碼是否被竊聽者復(fù)制過;二是“一次一密”，密碼用過一次后就不存在了，這在信息論里被稱為“一次性便箋”。不過，這也可能引出通信難以進(jìn)行或者通信成本高的問題，因而相對比較小眾。縱覽歷史，從牛頓到愛因斯坦，再到量子理論的發(fā)展，經(jīng)過漫漫百年長路，而量子通信理論提出只有27年，還需持續(xù)探索，甚至可能被推翻。市場的普遍觀點(diǎn)是，量子通信是個(gè)挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存的新興行業(yè)。

搶奪信息技術(shù)的未來

實(shí)際上，量子通信、量子計(jì)算和量子測量共同組成了量子信息——這個(gè)由量子力學(xué)和信息技術(shù)交叉形成的前沿科學(xué)，其中量子通信是目前應(yīng)用最多的方向。近年來，“棱鏡門”、華為被持續(xù)打壓、全球最知名加密機(jī)器制造商被美國操控多年，諸多事件讓信息技術(shù)自主可控成為時(shí)代強(qiáng)音。量子信息競賽，已經(jīng)在各大國之間展開。

早在2002年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局就制定了《量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，給出量子計(jì)算發(fā)展的主要步驟和時(shí)間表，故此美國早在21世紀(jì)初期便在量子信息領(lǐng)域領(lǐng)先。隨后，各國相繼出臺(tái)量子信息的國家戰(zhàn)略，美國、歐盟、俄羅斯、印度均已提出巨額資金投入和長期規(guī)劃。2020年2月，美國發(fā)布了“美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景”，表示將構(gòu)建基于量子保密通信的量子互聯(lián)網(wǎng)，還將量子信息設(shè)置成出口管制重要領(lǐng)域。目前，日本東芝、瑞士IDQ、奧地利的All Vienna都是世界上研究量子通信（主要是量子安全密碼服務(wù)）的著名廠商。

于中國而言，量子計(jì)算方面仍在追趕，但得益于潘建偉等人的努力，在量子通信競賽中，中國的研究和應(yīng)用世界領(lǐng)先。目前，我國已經(jīng)成功發(fā)射世界首顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，開通了全球第一條量子保密通信干線“京滬干線”，2017年，“墨子號(hào)”順利完成任務(wù)后，獲得多項(xiàng)國際領(lǐng)先的科學(xué)成果，我國第一次在空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域走到了世界最前列。遠(yuǎn)距離、無中繼、小型化成為量子通信應(yīng)用的主要攻克方向。目前，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)500公里級(jí)真空環(huán)境光纖的雙量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，以及1000km級(jí)的基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)、高效星地鏈路收集技術(shù)等，安全性和規(guī)模化程度還將大大提升。

量子通信，正成為高等級(jí)信息安全的未來方向。當(dāng)前，“以量子計(jì)算為代表的人類算力威脅現(xiàn)有非對稱密碼體系”這一判斷已經(jīng)是主要密碼技術(shù)國家的共識(shí)，各國紛紛啟動(dòng)的“抗量子計(jì)算”密碼研究就是證明。而量子保密通信，已經(jīng)成為近現(xiàn)代唯一一個(gè)由中國新創(chuàng)造的產(chǎn)業(yè)。目前我國多項(xiàng)核心技術(shù)研究領(lǐng)先全球，并且已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)核心部件的自主供給。更重要的是，我國有望成為全球相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則的制定者。

產(chǎn)業(yè)化落地先行者

行業(yè)先行者正在成為規(guī)則制定者的重要成員。截至2019年9月底，國盾量子正牽頭或參與29項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。2020年，距離潘建偉和彭承志等人創(chuàng)辦國盾量子，是第11個(gè)年頭。已成為中國科學(xué)院院士的潘建偉是國盾量子第二大股東，曾獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的中科大博士生導(dǎo)師彭承志擔(dān)任公司董事長，緣起于中科大、受安徽省扶持的國盾量子帶著濃厚的科技底色和服務(wù)國家安全的色彩。

招股書顯示，國盾量子主要通過量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，為政務(wù)、金融、電力、國防等行業(yè)和領(lǐng)域提供組網(wǎng)及量子安全應(yīng)用解決方案。

目前，國盾量子主要為政府構(gòu)建量子保密通信骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)，用量子密鑰進(jìn)行信息傳輸，支持公共安全、稅務(wù)、司法、民政等數(shù)據(jù)的安全傳輸，該解決方案已用于合肥、濟(jì)南、武漢、海口、貴陽等政府部門。

QKD產(chǎn)品是國盾量子的核心產(chǎn)品。2017-2019年，量子保密通信產(chǎn)品銷售金額分別為2.66億元、2.46億元、2.38億元，占主營業(yè)務(wù)收入的比例分別為97.75%、95.81%、93.08%。而QKD產(chǎn)品分別占量子保密通信產(chǎn)品銷售額的62.06%、70.26%和59.64%。目前，一臺(tái)QKD產(chǎn)品平均售價(jià)為25.90萬，價(jià)格較高，因此國盾量子的毛利率處于較高水平，2017-2019年分別為68.16%、74.33%、68.18%。截至目前，我國已建成的實(shí)用化光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)總長（光纜皮長）已達(dá)7000余公里，其中超過6000公里使用了國盾量子提供的產(chǎn)品且處于在線運(yùn)行狀態(tài)。

此外，核心技術(shù)上國盾量子亦是行業(yè)領(lǐng)先，目前擁有國內(nèi)外量子技術(shù)相關(guān)專利212項(xiàng)以及多項(xiàng)非專利技術(shù)。且通過與現(xiàn)網(wǎng)寬帶光通信技術(shù)的融合，助推量子保密通信的大規(guī)模推廣。同時(shí)，布局芯片等前沿技術(shù)，改變核心器件被美國“卡脖子”的狀況。2017-2019年，公司研發(fā)投入占營業(yè)收入的比例分別為25.89%、36.35%、29.45%，截至2019年底，技術(shù)人員占比為45.41%。

本次募集資金，國盾量子擬投入3.04億元用于量子通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備項(xiàng)目和研發(fā)中心建設(shè)項(xiàng)目，主要投入于高性能QKD技術(shù)、實(shí)用化星地量子通信系統(tǒng)研究、實(shí)用化短距自由空間量子通信終端研究等前沿技術(shù)。2012年，合肥建設(shè)全球首個(gè)規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)，隨后量子通信產(chǎn)業(yè)逐步走向全國。預(yù)期未來3-5年，京津冀、長三角、珠三角、西南地區(qū)、中西部地區(qū)等城市帶將陸續(xù)新建或擴(kuò)建量子通信城域網(wǎng)，金融、電力等其他領(lǐng)域亦空間巨大。目前，僅有國盾量子是專業(yè)從事量子保密通信業(yè)務(wù)的上市公司，合作伙伴包括神州信息、中興通訊、中國電信等。

放眼世界，量子保密通信的商業(yè)應(yīng)用都處于初級(jí)階段。隨著組網(wǎng)技術(shù)的成熟和終端設(shè)備的小型化、移動(dòng)化，量子通信的應(yīng)用還將擴(kuò)展到電信網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、個(gè)人與家庭、云存儲(chǔ)等領(lǐng)域，長期有望產(chǎn)生量子云計(jì)算、量子傳感網(wǎng)等一系列全新應(yīng)用，真正進(jìn)入量子互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。在這個(gè)美國、歐盟、日本紛紛瞄準(zhǔn)的戰(zhàn)略新興行業(yè)里，先行拿到船票的國盾量子，值得期待。