量子通信與ICT 體系融合分析和標準化趨勢綜述*

繆亞軍，李明翰，戚 巍

（國科量子通信網(wǎng)絡有限公司，上海 200123）

0 引言

2022 年10 月，瑞典皇家科學院將諾貝爾物理學獎授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F.Clauser）和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在量子信息科學領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作，為基于量子信息的新技術(shù)掃清了道路。正如諾貝爾物理學獎科普背景報告所說，“經(jīng)過多年來的研究和開發(fā)，人們正在利用單個粒子系統(tǒng)的量子特性來構(gòu)建量子計算機，提升測量精度，構(gòu)建量子網(wǎng)絡并建立安全的量子通信。”[1]

量子通信是率先進入實用化階段的量子信息技術(shù)，世界主要國家和地區(qū)均對量子通信領(lǐng)域標準給予高度重視并積極推動相關(guān)工作。歐盟委員會在2020 年2 月發(fā)布的《歐洲量子旗艦計劃》中明確將在未來10 年內(nèi)通過歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）的量子密鑰分發(fā)（QKD）行業(yè)規(guī)范組牽頭制定量子網(wǎng)絡相關(guān)標準；美國在2018 年12 月發(fā)布的《國家量子倡議法案》明確提出由美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）牽頭推動量子信息科技安全國際標準制定；我國在2021 年10 月印發(fā)的《國家標準化發(fā)展綱要》中明確提出加強量子信息等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域標準研究。

目前，學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對量子通信領(lǐng)域的標準化工作進展進行了初步的研究。2018 年中國信息通信研究院對量子保密通信國內(nèi)外相關(guān)標準的布局、制定現(xiàn)狀進行了梳理和分析[2]，2022 年量子信息網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《量子信息技術(shù)標準化圖景》概述了各標準組織的演進路徑和量子通信標準體系框架[3]，這些工作多側(cè)重于標準組織的架構(gòu)、標準內(nèi)容等，但鮮有從標準角度對行業(yè)發(fā)展趨勢進行分析。量子通信作為新興技術(shù)，其標準研制周期普遍較長，國際標準更是需要大量的時間平衡協(xié)調(diào)不同國家專家的意見，容易造成量子通信標準化工作落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的局面。我國作為量子通信引領(lǐng)者，急需進一步優(yōu)化標準體系布局，加強與行業(yè)實踐的關(guān)聯(lián)，加大對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐，提升標準質(zhì)量，鞏固我國領(lǐng)先地位，這也是本文的主要目的。

1 量子通信標準化工作加速發(fā)展

近年來，ETSI、國際標準組織/國際電工協(xié)會（ISO/IEC）、ITU、國際互聯(lián)網(wǎng)工程推進組（IETF）、中國通信標準化協(xié)會（CCSA）等多個國內(nèi)外權(quán)威標準化組織紛紛加速開展量子通信領(lǐng)域標準工作。ETSI 早在2008 年就發(fā)起量子通信行業(yè)規(guī)范組開展工作；ISO/IEC 于2017 年立項《量子密鑰分發(fā)的安全要求、測試和評估方法》并開展研究；ITU-T 自2018 年以來圍繞量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡框架及功能架構(gòu)、安全總體要求、密鑰管理技術(shù)及安全要求等開展標準研制；IETF 于2018 年設立“量子互聯(lián)網(wǎng)研究組”，并圍繞架構(gòu)原則、應用案例開展標準工作；CCSA自2017 年起也在積極開展量子信息技術(shù)領(lǐng)域的國家、行業(yè)標準研制工作，國內(nèi)外標準組織量子通信相關(guān)標準立項情況總結(jié)如圖1 所示。

圖1 國內(nèi)外標準組織量子通信相關(guān)標準立項情況

在時間維度方面可將量子通信標準發(fā)展分為三個階段，第一階段在2008 至2016 年期間，處于標準的起步期，共有12 項標準立項，平均每年只有1.3 項標準立項，此時量子通信技術(shù)處于發(fā)展初期，技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平仍需進一步提升，標準工作進展較為緩慢；第二階段在2017 至2019 年期間，是標準的爆發(fā)期，僅三年時間就有31 項標準立項，ITU、ISO/IEC、IETF 和CCSA 均在這一階段啟動量子通信標準化工作，2017 年起立項標準數(shù)量明顯大幅提速；第三階段在2020 至2022 年期間，進入高速發(fā)展階段，主要表現(xiàn)為“高速、均衡發(fā)展”。同時，標準內(nèi)容也更加均衡，這與國際量子通信網(wǎng)絡建設情況相契合。

2 標準化內(nèi)在動力不斷強化

2.1 重大基礎(chǔ)設施項目推動

量子通信基礎(chǔ)設施是量子通信發(fā)展的重要支撐，國內(nèi)外先后部署多個量子通信有關(guān)重大基礎(chǔ)設施項目，為標準的研制奠定了大量工程基礎(chǔ)。2016 年12 月，全球首個遠距離量子保密通信技術(shù)驗證和應用示范平臺“京滬干線”項目全線貫通；2016 年8 月，我國成功發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星——“墨子號”；2022 年12 月，國家廣域量子通信網(wǎng)絡順利建成并通過驗收，地面網(wǎng)絡超過10 000公里；2022 年7 月，“東數(shù)西算”工程量子可信云項目正式獲得批復，計劃建成以國家量子骨干網(wǎng)為基礎(chǔ)、覆蓋八大樞紐節(jié)點的融合量子通信技術(shù)的云平臺。國際上主要發(fā)達國家紛紛啟動量子通信網(wǎng)絡建設，2018 年，美國建成全美首個量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，從華盛頓到波士頓沿美國東海岸總長805 公里；2019 年9 月，歐盟啟動開放式歐洲量子密鑰分發(fā)測試平臺項目（Open European Quantum Key Distribution Testbed，OPENQKD），計劃在三年內(nèi)在多個歐洲國家部署用于測試的量子通信網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施。

2.2 關(guān)鍵應用牽引

量子通信已經(jīng)在金融、政務、移動通信、交通、能源等領(lǐng)域得到廣泛應用，為提升量子通信普遍服務能力打下了堅實基礎(chǔ)，同時也對量子通信應用側(cè)標準規(guī)范的制定起到了牽引作用。以金融領(lǐng)域為例，已為人行清算系統(tǒng)提供了基于廣域量子網(wǎng)絡的通信主密鑰更新和工作密鑰分發(fā)的解決方案，解決了對稱密鑰安全分發(fā)及更新問題，未來計劃推動該解決方案在全國省級城市和商業(yè)銀行應用；民生銀行等銀行單位結(jié)合“兩地三中心”建設，已經(jīng)將量子密鑰分發(fā)技術(shù)融入現(xiàn)有密碼體系，構(gòu)建量子密鑰基礎(chǔ)服務設施，安全地解決了現(xiàn)有密碼體系密鑰分發(fā)及更新難題。

2.3 新一代ICT 技術(shù)需求

在ICT 不斷發(fā)展、演進的過程中，大量的移動通信、云網(wǎng)融合、物聯(lián)網(wǎng)等需求的出現(xiàn)正在引領(lǐng)信息通信領(lǐng)域的變革，學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界紛紛開始探索相關(guān)技術(shù)的融合研究。在2017 年，英國政府啟動的5G 測試計劃中，使用QKD 技術(shù)保護5G 傳輸數(shù)據(jù)的信息安全，在2023 年，韓國SK 電信發(fā)布的6G 白皮書中提出需要利用量子安全技術(shù)來增強傳送網(wǎng)絡的安全。

2.4 經(jīng)濟社會效益潛力大

以大量專利為基礎(chǔ)的標準體系有助于企業(yè)或國家實現(xiàn)巨量社會效益。以3G 時代CDMA 技術(shù)標準的領(lǐng)導者高通為例，它擁有CDMA 標準的3000 多項技術(shù)專利，其2006 年第2 季度的財務報表中，專利授權(quán)費用收入達到6.8 億美元，其中利潤高達6.3 億美元，純利潤占到了收入的90%以上[4]。根據(jù)ICV 預測，2030 年，全球量子通信市場規(guī)模約為421 億美元[5]，其中技術(shù)標準帶來的經(jīng)濟、社會效益正吸引量子通信國際標準加速推進。

3 量子通信與ICT 體系融合特征

3.1 國內(nèi)外量子通信標準仍以網(wǎng)絡為重

通過對國內(nèi)外全部60 項量子通信相關(guān)標準進行梳理發(fā)現(xiàn)，當前標準可大致分為系統(tǒng)設備、網(wǎng)絡、應用場景、接口四類，如表1 所示。

表1 國內(nèi)外標準組織量子通信相關(guān)標準主題分類情況

第一類標準內(nèi)容包括量子通信系統(tǒng)的核心器件、安全性要求、量子通信系統(tǒng)的測試方法等，在2008 至2016年間開展的標準工作幾乎都屬此類，基于這期間量子通信技術(shù)的發(fā)展水平，必須先從技術(shù)本身的設備、系統(tǒng)層面入手，然后才能開始框架性的標準；第二類聚焦在量子通信網(wǎng)絡，對網(wǎng)絡運維服務質(zhì)量、組網(wǎng)技術(shù)、可信中繼等方向進行規(guī)范，自2017 年開始，歐盟、美國、中國等世界主要國家和地區(qū)建設或啟動建設了大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡，為量子通信網(wǎng)絡相關(guān)標準提供了大量工程經(jīng)驗，量子通信網(wǎng)絡相關(guān)標準占比明顯加大，并超過量子通信系統(tǒng)相關(guān)標準的占比，其中ITU 布局明顯集中在量子通信網(wǎng)絡方面，截止到2023 年10 月，已立項的46 項標準中，關(guān)于量子通信網(wǎng)絡的占有31 項，第三類對量子通信技術(shù)的應用場景或與其他應用技術(shù)結(jié)合的規(guī)范進行標準制定，其中包括量子通信與數(shù)據(jù)存儲、移動通信等ICT 技術(shù)的應用對接。第四類對相關(guān)接口進行標準制定，包括量子通信系統(tǒng)內(nèi)部接口、量子通信網(wǎng)絡間接口以及量子通信與應用系統(tǒng)的接口，大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡的建設為應用提供了基礎(chǔ)條件。

3.2 新一代ICT 與量子通信技術(shù)融合實踐已領(lǐng)先于標準化工作

目前，產(chǎn)業(yè)界、學術(shù)界在量子通信與ICT 技術(shù)融合方面已有較多實踐成果，而相關(guān)標準則表現(xiàn)出明顯滯后的特點，具體體現(xiàn)在標準數(shù)量和應用發(fā)展方面。以5G、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)這三個熱點關(guān)鍵技術(shù)為代表，量子通信融合應用已經(jīng)取得了多項突破。

在與5G 融合方面，設備商、運營商相關(guān)案例較為豐富，標志著移動通信領(lǐng)域正全面啟動與量子通信技術(shù)的適配研究。我國廠商在量子通信與光通信傳輸設備結(jié)合方面已有所進展，華為、中國信科集團等相繼實現(xiàn)光傳輸網(wǎng)（OTN）設備與量子密鑰分發(fā)設備間密鑰的安全獲取，中國電信推出的“量子密話”，中國聯(lián)通研究院研發(fā)的“5G+量子通信”模組、量子密鑰平臺和量子安全終端等產(chǎn)品，以及中國移動研發(fā)的量子加密對講業(yè)務均屬于此類；國外如韓國SK 電信公司（SK Telecom）為現(xiàn)代汽車智慧工廠及大邱銀行等企業(yè)用戶提供的回傳數(shù)據(jù)加密業(yè)務，以及英國電信和英國約克大學對5G 切片網(wǎng)絡進行量子加密的可行性研究[6]。學術(shù)界也在同步進行量子通信與5G 融合研究，例如捷克大學在北約和平與安全科學計劃的支持下[7]，已通過實驗演示了在量子通信網(wǎng)絡中集成支持網(wǎng)絡切片、網(wǎng)絡功能虛擬化 (NFV) 和軟件定義網(wǎng)絡的5G 網(wǎng)絡管理技術(shù)。

在與云平臺技術(shù)融合方面，量子通信作為自主創(chuàng)新的技術(shù)手段為云上數(shù)據(jù)安全提出了新的解決方案。在國內(nèi)，國科量子通信網(wǎng)絡有限公司聯(lián)合相關(guān)合作伙伴在傳統(tǒng)開源云計算管理平臺OpenStack 架構(gòu)中融入基于量子通信網(wǎng)絡的密碼應用系統(tǒng)，通過使用基于量子協(xié)商密鑰能力及密鑰實施策略的密碼應用安全引擎，為云計算平臺組件提供安全資源池；國際上，日本情報通信研究機構(gòu)（NICT）與東京大學合作，提出了一種信息理論安全（Information-Theoretically Secure，ITS）的量子安全云系統(tǒng)[8]，并基于互聯(lián)網(wǎng)完成了系統(tǒng)的搭建，為用戶提供加密傳輸和量子安全分布式存儲服務。

在與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合方面，量子通信技術(shù)在密鑰協(xié)商過程中解放了本地原本用于密鑰生成和身份認證所需的算力，能夠更好地為用戶側(cè)海量數(shù)據(jù)的采集和傳輸提供安全保障。我國基于量子通信的物聯(lián)網(wǎng)研究側(cè)重于探索多樣性場景，中國電信、中國聯(lián)通基于一系列物聯(lián)網(wǎng)量子加密安全產(chǎn)品，在智慧燃氣、智慧城市、智慧園區(qū)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)中提供量子安全支撐。國外研究[9]更側(cè)重于能耗的定量分析，英國布里斯托大學高性能網(wǎng)絡研究組依托布里斯托量子通信城域網(wǎng)，在數(shù)據(jù)中心遠程為物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域提供量子密鑰，通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，相比在本地設備中生成密鑰的方案，因引入量子通信而導致的延時和丟包率可以忽略不計，并且由于物聯(lián)網(wǎng)設備不再需要承擔密鑰生成所需的算力，設備的能耗降低，進而將使用壽命延長了18%。

4 趨勢及建議

量子通信作為國家未來產(chǎn)業(yè)已處于加速發(fā)展階段，從當前的國內(nèi)外標準成果、學術(shù)界產(chǎn)業(yè)界的探索來看，量子通信與新一代ICT 體系的融合正在成為新的發(fā)展趨勢，為進一步促進量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提出以下兩點建議：

（1）加大對標準組織的支持。依托“京滬干線”“國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)”、量子通信衛(wèi)星初步構(gòu)建的星地一體量子通信基礎(chǔ)設施，我國在量子通信領(lǐng)域已處于國際領(lǐng)先地位，在國際環(huán)境日益嚴峻的背景下，急需借鑒我國5G 通信標準參與國際競爭的經(jīng)驗和做法，在CCSA、密標委、ITU、ETSI、ISO 等國內(nèi)外標準組織中把我國實踐經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為標準成果，通過深度參與國際標準制定，加快部署對量子通信網(wǎng)絡互聯(lián)互通、接口等規(guī)范，搶占國際標準制定制高點。

（2）鼓勵更多產(chǎn)學研合作。量子通信是以技術(shù)為驅(qū)動的跨領(lǐng)域?qū)W科，合肥國家實驗室量子科技產(chǎn)學研創(chuàng)新聯(lián)盟、工信部量子信息網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立，為構(gòu)建量子信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)提供了平臺。通過政策供給和規(guī)范指引，依托平臺協(xié)作機制，充分發(fā)揮現(xiàn)有量子網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施作用，在工業(yè)、金融、能源、交通、醫(yī)療等重點行業(yè)打造一批重大示范項目，將有力促進我國量子通信應用探索與產(chǎn)業(yè)培育。