近期,中國科研團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)量子微納衛(wèi)星與小型可移動(dòng)地面站之間的實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)(QKD),并在中國和南非之間相隔12900多公里的地面站之間成功建立量子密鑰,演示了對(duì)圖片的“一次一密”加密傳輸,該成果是驗(yàn)證全球量子保密通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可行性的又一里程碑,并在《自然》雜志發(fā)表后引發(fā)了關(guān)于量子通信發(fā)展進(jìn)程的熱議和暢想。那么,量子通信距離實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用,服務(wù)日常生活的愿景還有多遠(yuǎn)?作為量子信息產(chǎn)業(yè)化“從0到1”的見證者與推動(dòng)者,接下來主要從基礎(chǔ)技術(shù)攻關(guān)、網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)、規(guī)范行業(yè)應(yīng)用等方面進(jìn)行分析。
量子通信需要走進(jìn)日常生活
在討論量子通信何時(shí)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用之前,我們不妨先思考一個(gè)問題:為什么它需要走進(jìn)日常生活?隨著信息技術(shù)的發(fā)展,社會(huì)生產(chǎn)力不斷提升,生活方式持續(xù)變革,信息社會(huì)的內(nèi)涵日益豐富。物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)正不斷拓展信息采集范圍,信息處理的匯聚規(guī)模與關(guān)聯(lián)模式不斷增加。未來,智能系統(tǒng)或?qū)⒏鶕?jù)個(gè)人生理狀態(tài)、生活環(huán)境、基因數(shù)據(jù)、醫(yī)療記錄和消費(fèi)習(xí)慣,自動(dòng)安排衣食住行;生產(chǎn)系統(tǒng)也可協(xié)助設(shè)計(jì)圖紙,遠(yuǎn)程指揮工廠加工,并由無人機(jī)完成配送。然而,這些技術(shù)只有在安全可控的前提下才不會(huì)成為“雙刃劍”。面對(duì)信息應(yīng)用向生產(chǎn)生活的深度滲透,我們需要前所未有的強(qiáng)大安全體系,而量子通信正是構(gòu)建這一體系的關(guān)鍵支撐技術(shù)。
比如量子通信能夠?qū)π畔⒉杉瘜?shí)施傳輸保護(hù)、信息處理實(shí)施存儲(chǔ)保護(hù)、信息應(yīng)用實(shí)施訪問保護(hù),部署形態(tài)上實(shí)現(xiàn)個(gè)人終端到應(yīng)用系統(tǒng)再到基礎(chǔ)設(shè)施的全域覆蓋,管理調(diào)度上適應(yīng)動(dòng)態(tài)—長期與定點(diǎn)—跨域等機(jī)制。但要實(shí)現(xiàn)上述安全能力,量子通信需具備小型化設(shè)備,便于部署在生產(chǎn)生活一線,以貼身保護(hù)信息的源頭發(fā)送與末端接收安全;建設(shè)覆蓋全國、跨域連通、高帶寬的量子網(wǎng)絡(luò),支撐隨時(shí)隨地接入和足量保障的密鑰供應(yīng)需求;建立標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)的應(yīng)用服務(wù)與管理系統(tǒng),確保各類業(yè)務(wù)中的密鑰調(diào)度與更新、數(shù)據(jù)分級(jí)保護(hù)等操作有序進(jìn)行。當(dāng)這些設(shè)施能夠以較低成本實(shí)現(xiàn)時(shí),泛在化、普惠性的量子通信時(shí)代才真正到來。
從可用到好用,走向大規(guī)模應(yīng)用的創(chuàng)新密碼
之所以說超萬公里星地量子通信成果是證明全球性量子保密通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可行性的又一個(gè)里程碑,是因?yàn)榇饲拔覈呀?jīng)取得了其他里程碑式成果。例如,我國量子保密通信“京滬干線”和“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星率先實(shí)現(xiàn)“天地一體”;中國科研團(tuán)隊(duì)基于雙場協(xié)議實(shí)現(xiàn)千公里光纖的無中繼量子密鑰分發(fā);基于2.5GHz調(diào)制頻率的芯片和多通道超導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)每秒100Mb帶寬的量子密鑰分發(fā)等世界紀(jì)錄。這些成果展示了“天地一體”“千公里”“百兆帶寬”“芯片”等關(guān)鍵技術(shù)突破,現(xiàn)在又見證了“萬公里”“微納衛(wèi)星”“小型地面站”的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)距離、速度和小型化都具備了,距離最終愿景還差哪股“東風(fēng)”呢?
答案是:還需要一些重要的技術(shù)迭代升級(jí)。當(dāng)前的量子通信仍屬于由科研人員精心調(diào)試組合的前沿科學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng),雖技術(shù)先進(jìn),但在穩(wěn)定性、健壯性和集成度等方面距離工程化、實(shí)用化仍有差距。在實(shí)際應(yīng)用中,量子通信終端只能在機(jī)房部署,衛(wèi)星一次也只能保障單個(gè)地面站,無法滿足隨時(shí)隨地接入的實(shí)際要求。同時(shí),相關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備的成本也較為高昂。因此,未來需要將量子通信各種部件轉(zhuǎn)化成自主可控、高性能、可量產(chǎn)的集成芯片。通過豐富集成芯片功能,或完善芯片工藝能力與設(shè)計(jì)適配的工藝方案等,提升量子設(shè)備可用性并大幅降低成本,從而形成技術(shù)與應(yīng)用之間的良性循環(huán)。
滾動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)建設(shè),構(gòu)建大規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)
如果說技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)量子通信大規(guī)模應(yīng)用的前提,規(guī)模化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)則是其落地的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地接入并滿足足量的密鑰供應(yīng),必須依托一個(gè)覆蓋全國、跨區(qū)域連通、具備高帶寬能力的量子網(wǎng)絡(luò)。目前,我國已建成約12000公里的量子保密通信骨干網(wǎng),覆蓋粵港澳、京津冀、長三角、成渝等重點(diǎn)區(qū)域;同時(shí)建有多個(gè)城域網(wǎng),其中規(guī)模最大的合肥量子城域網(wǎng)已服務(wù)市區(qū)兩級(jí)500多家黨政機(jī)關(guān);此外還有2顆在軌量子衛(wèi)星。未來還需進(jìn)一步織密城域網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)展骨干網(wǎng)絡(luò),擴(kuò)大用戶接入規(guī)模;對(duì)已有網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容升級(jí),保障大量用戶接入后的帶寬需求;構(gòu)建量子衛(wèi)星星座,全時(shí)保障偏遠(yuǎn)地區(qū)和移動(dòng)平臺(tái)等光纖不可達(dá)的場景。
這意味著我們能夠在兼具低成本與高可用性的設(shè)備支持下,逐步推進(jìn)量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè):從優(yōu)先保障關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域,擴(kuò)大到生產(chǎn)生活各個(gè)層面,實(shí)現(xiàn)泛在普惠的量子安全保障。這一過程也離不開對(duì)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的攻關(guān)試驗(yàn)。例如,高性能的“量子—經(jīng)典共纖傳輸技術(shù)”可用于節(jié)約寶貴的光纖資源;拓展移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)用于支持“最后一公里”的靈活應(yīng)用;異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)用于打通不同服務(wù)區(qū)域、管控層級(jí)、設(shè)備規(guī)格的網(wǎng)絡(luò)等。
運(yùn)營商將在其中起關(guān)鍵作用。目前,中國電信已根據(jù)業(yè)務(wù)需要首批選擇15座重點(diǎn)城市開展量子城域網(wǎng)建設(shè)。此外,還需要加快“量子星座”的建設(shè)。一方面,要突破星間/高軌量子通信距離,以及白天量子通信噪聲等關(guān)鍵技術(shù)難題。另一方面,若量子衛(wèi)星的研制發(fā)射能與北斗衛(wèi)星、高通量衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等其他航天工程協(xié)同開展,將能有效節(jié)約成本,提高建設(shè)效率。
標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展,夯實(shí)大規(guī)模應(yīng)用的安全底座
實(shí)現(xiàn)量子通信的規(guī)模化應(yīng)用,未來還需要標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)的應(yīng)用服務(wù)管理系統(tǒng),以保障各類業(yè)務(wù)中的密鑰調(diào)度更新、數(shù)據(jù)分級(jí)保護(hù)等環(huán)節(jié)能夠嚴(yán)密且有序的進(jìn)行。目前,量子通信領(lǐng)域已發(fā)布一系列通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),涵蓋從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)到設(shè)備、器件等多個(gè)層面的技術(shù)要求。但由于密碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求安全嚴(yán)密且慎之又慎,目前僅有I類量子設(shè)備的技術(shù)規(guī)范被納入密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。要支撐大規(guī)模協(xié)同環(huán)境下的安全密碼系統(tǒng)構(gòu)建與服務(wù)保障,未來需要研究制定既簡約可控,又能極大兼容技術(shù)發(fā)展與多元應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。例如,可借鑒傳統(tǒng)密碼基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)經(jīng)驗(yàn),廣泛聯(lián)合設(shè)備廠商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營方和應(yīng)用單位,在密碼標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的指導(dǎo)下,共同研究制定量子密碼基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)框架。同時(shí),構(gòu)建攻防靶場與測(cè)評(píng)平臺(tái),對(duì)量子安全系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充分驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)量子安全技術(shù)在理論、工程與應(yīng)用之間的嚴(yán)密閉環(huán)。
我國在量子通信領(lǐng)域取得了一系列令世界矚目的創(chuàng)新成果,完成了從跟跑到領(lǐng)跑的歷史性飛躍。這些技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的先發(fā)優(yōu)勢(shì),為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化的目標(biāo)筑牢了根基。在此基礎(chǔ)上,未來仍需以芯片化為主線,綜合多項(xiàng)基礎(chǔ)能力,結(jié)合技術(shù)發(fā)展和需求程度滾動(dòng)式建設(shè)網(wǎng)絡(luò),打造量子密碼基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系。
路線和任務(wù)藍(lán)圖已基本清晰。未來,在國家“量子技術(shù)戰(zhàn)略”“未來產(chǎn)業(yè)新賽道”等規(guī)劃牽引下,將有更多力量加入。在產(chǎn)學(xué)研用管各方協(xié)同努力下,我國有望在日趨激烈的量子通信國際競爭中保持和擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),讓量子通信成為科技強(qiáng)國征程中的一張閃亮名片。
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