量子通信何时能实现大规模应用

　　近期，中国科研团队在国际上首次实现量子微纳卫星与小型可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发（QKD），并在中国和南非之间相隔12900多公里的地面站之间成功建立量子密钥，演示了对图片的“一次一密”加密传输，该成果是验证全球量子保密通信网络技术可行性的又一里程碑，并在《自然》杂志发表后引发了关于量子通信发展进程的热议和畅想。那么，量子通信距离实现规模化应用，服务日常生活的愿景还有多远？作为量子信息产业化“从0到1”的见证者与推动者，接下来主要从基础技术攻关、网络工程建设、规范行业应用等方面进行分析。 　　量子通信需要走进日常生活 　　在讨论量子通信何时能实现大规模应用之前，我们不妨先思考一个问题：为什么它需要走进日常生活？随着信息技术的发展，社会生产力不断提升，生活方式持续变革，信息社会的内涵日益丰富。物联网等技术正不断拓展信息采集范围，信息处理的汇聚规模与关联模式不断增加。未来，智能系统或将根据个人生理状态、生活环境、基因数据、医疗记录和消费习惯，自动安排衣食住行；生产系统也可协助设计图纸，远程指挥工厂加工，并由无人机完成配送。然而，这些技术只有在安全可控的前提下才不会成为“双刃剑”。面对信息应用向生产生活的深度渗透，我们需要前所未有的强大安全体系，而量子通信正是构建这一体系的关键支撑技术。 　　比如量子通信能够对信息采集实施传输保护、信息处理实施存储保护、信息应用实施访问保护，部署形态上实现个人终端到应用系统再到基础设施的全域覆盖，管理调度上适应动态—长期与定点—跨域等机制。但要实现上述安全能力，量子通信需具备小型化设备，便于部署在生产生活一线，以贴身保护信息的源头发送与末端接收安全；建设覆盖全国、跨域连通、高带宽的量子网络，支撑随时随地接入和足量保障的密钥供应需求；建立标准合规的应用服务与管理系统，确保各类业务中的密钥调度与更新、数据分级保护等操作有序进行。当这些设施能够以较低成本实现时，泛在化、普惠性的量子通信时代才真正到来。 　　从可用到好用，走向大规模应用的创新密码 　　之所以说超万公里星地量子通信成果是证明全球性量子保密通信网络技术可行性的又一个里程碑，是因为此前我国已经取得了其他里程碑式成果。例如，我国量子保密通信“京沪干线”和“墨子号”量子科学实验卫星率先实现“天地一体”；中国科研团队基于双场协议实现千公里光纤的无中继量子密钥分发；基于2.5GHz调制频率的芯片和多通道超导探测系统，实现每秒100Mb带宽的量子密钥分发等世界纪录。这些成果展示了“天地一体”“千公里”“百兆带宽”“芯片”等关键技术突破，现在又见证了“万公里”“微纳卫星”“小型地面站”的实现。当距离、速度和小型化都具备了，距离最终愿景还差哪股“东风”呢？ 　　答案是：还需要一些重要的技术迭代升级。当前的量子通信仍属于由科研人员精心调试组合的前沿科学试验系统，虽技术先进，但在稳定性、健壮性和集成度等方面距离工程化、实用化仍有差距。在实际应用中，量子通信终端只能在机房部署，卫星一次也只能保障单个地面站，无法满足随时随地接入的实际要求。同时，相关试验系统与设备的成本也较为高昂。因此，未来需要将量子通信各种部件转化成自主可控、高性能、可量产的集成芯片。通过丰富集成芯片功能，或完善芯片工艺能力与设计适配的工艺方案等，提升量子设备可用性并大幅降低成本，从而形成技术与应用之间的良性循环。 　　滚动式网络建设，构建大规模应用的现实基础 　　如果说技术创新是实现量子通信大规模应用的前提，规模化网络建设则是其落地的现实基础。要实现随时随地接入并满足足量的密钥供应，必须依托一个覆盖全国、跨区域连通、具备高带宽能力的量子网络。目前，我国已建成约12000公里的量子保密通信骨干网，覆盖粤港澳、京津冀、长三角、成渝等重点区域；同时建有多个城域网，其中规模最大的合肥量子城域网已服务市区两级500多家党政机关；此外还有2颗在轨量子卫星。未来还需进一步织密城域网络、扩展骨干网络，扩大用户接入规模；对已有网络扩容升级，保障大量用户接入后的带宽需求；构建量子卫星星座，全时保障偏远地区和移动平台等光纤不可达的场景。 　　这意味着我们能够在兼具低成本与高可用性的设备支持下，逐步推进量子网络建设：从优先保障关键信息基础设施领域，扩大到生产生活各个层面，实现泛在普惠的量子安全保障。这一过程也离不开对关键网络技术的攻关试验。例如，高性能的“量子—经典共纤传输技术”可用于节约宝贵的光纤资源；拓展移动应用技术用于支持“最后一公里”的灵活应用；异构组网技术用于打通不同服务区域、管控层级、设备规格的网络等。 　　运营商将在其中起关键作用。目前，中国电信已根据业务需要首批选择15座重点城市开展量子城域网建设。此外，还需要加快“量子星座”的建设。一方面，要突破星间／高轨量子通信距离，以及白天量子通信噪声等关键技术难题。另一方面，若量子卫星的研制发射能与北斗卫星、高通量卫星、气象卫星等其他航天工程协同开展，将能有效节约成本，提高建设效率。 　　标准化发展，夯实大规模应用的安全底座 　　实现量子通信的规模化应用，未来还需要标准合规的应用服务管理系统，以保障各类业务中的密钥调度更新、数据分级保护等环节能够严密且有序的进行。目前，量子通信领域已发布一系列通信行业标准，涵盖从网络架构到设备、器件等多个层面的技术要求。但由于密码技术标准要求安全严密且慎之又慎，目前仅有I类量子设备的技术规范被纳入密码行业标准。要支撑大规模协同环境下的安全密码系统构建与服务保障，未来需要研究制定既简约可控，又能极大兼容技术发展与多元应用的标准。例如，可借鉴传统密码基础设施的标准建设经验，广泛联合设备厂商、网络运营方和应用单位，在密码标准委员会的指导下，共同研究制定量子密码基础设施的标准框架。同时，构建攻防靶场与测评平台，对量子安全系统及其标准进行充分验证，实现量子安全技术在理论、工程与应用之间的严密闭环。 　　我国在量子通信领域取得了一系列令世界瞩目的创新成果，完成了从跟跑到领跑的历史性飞跃。这些技术与产业的先发优势，为实现大规模实用化的目标筑牢了根基。在此基础上，未来仍需以芯片化为主线，综合多项基础能力，结合技术发展和需求程度滚动式建设网络，打造量子密码基础设施标准体系。 　　路线和任务蓝图已基本清晰。未来，在国家“量子技术战略”“未来产业新赛道”等规划牵引下，将有更多力量加入。在产学研用管各方协同努力下，我国有望在日趋激烈的量子通信国际竞争中保持和扩大领先优势，让量子通信成为科技强国征程中的一张闪亮名片。